晶体应用培训材料mej.docx

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1、晶体应用基础知识石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。一、石英晶体振荡器的基本原理1、石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳

2、、陶瓷或塑料封装的。2、压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。3、符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2所示。当晶体不振动时，可把它看成一个

3、平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH 到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.00020.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达100010000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。4、谐振频频率从从石英晶晶体谐振振器的等等效电路路可知，它它有

4、两个个谐振频频率，即即（1）当当L、CC、R支支路发生生串联谐谐振时，它它的等效效阻抗最最小（等等于R）。串串联揩振振频率用用fs表表示，石石英晶体体对于串串联揩振振频率ffs呈纯纯阻性，（22）当频频率高于于fs时时L、CC、R支支路呈感感性，可可与电容容C。发发生并联联谐振，其其并联频频率用ffd表示示。根根据石英英晶体的的等效电电路，可可定性画画出它的的电抗频率特特性曲线线如图22e所示示。可见见当频率率低于串串联谐振振频率ffs或者者频率高高于并联联揩振频频率fdd时，石石英晶体体呈容性性。仅在在fsfffd极窄窄的范围围内，石石英晶体体呈感性性。二二、石英英晶体振振荡器类类型特点点石

5、英英晶体振振荡器是是由品质质因素极极高的石石英晶体体振子（即即谐振器器和振荡荡电路组组成。晶晶体的品品质、切切割取向向、晶体体振子的的结构及及电路形形式等，共共同决定定振荡器器的性能能。国际际电工委委员会（IIEC）将将石英晶晶体振荡荡器分为为4类：普通晶晶体振荡荡（SPPXO），电电压控制制式晶体体振荡器器（VCCXO），温温度补偿偿式晶体体振荡（TTCXOO），恒恒温控制制式晶体体振荡（OOCXOO）。目目前发展展中的还还有数字字补偿式式晶体振振荡器（DCCXO）等等。普普通晶体体振荡器器（SPPXO）可可产生110(-5)100(-4)量量级的频频率精度度，标准准频率111000MHHZ

6、，频频率稳定定度是1000ppmm。SPPXO没没有采用用任何温温度频率率补偿措措施，价价格低廉廉，通常常用作微微处理器器的时钟钟器件。封封装尺寸寸范围从从21146mmm及53.221.5mmm。电电压控制制式晶体体振荡器器（VCCXO）的的精度是是10(-66)110(-5)量级，频频率范围围1330MHHz。低低容差振振荡器的的频率稳稳定度是是500ppmm。通常常用于锁锁相环路路。封装装尺寸11411033mm。温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10(-7)10(-6)量级，频率范围160MHz，频率稳定度为12.5ppm，封装尺寸从3030

7、15mm至11.49.63.9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10(-10)至10(-8)量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。三、石英晶体振荡器的主要参数晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz40.50 MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上，也有的没有标

8、称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一致，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。频率精度和频率稳定度：由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从10(-4)量级到10(-10)量级不等。稳定度从1到100p

9、pm不等。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。四、石英晶体振荡器的发展趋势1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如TCXO这类器件的体积缩小了30100倍。采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前53mm尺寸的器件已经上市。2、高精度与高稳定度，目前无补偿式晶体振荡

10、器总精度也能达到25ppm，VCXO的频率稳定度在1070范围内一般可达20100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为0.00015ppm，VCXO控制在25ppm以下。3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。目前OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为6501700 MHz，电源电压2.23.3V，工作电流810mA。4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源

11、电压一般为3.3V。目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2 mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG2320SC型VCXO，在0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的SMD TCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的1025 MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到0.01 ppm的稳定度。五、石英晶体振荡器的应用1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。石英晶体振荡器原理的示意

12、如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。一般Q、C1及C2均为外接元件。另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。但此时我们仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。如图5所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走

13、时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。因此，晶振可用于时钟信号发生器。2、随着电电视技术术的发展展，近来来彩电多多采用5500kkHz或或5033 kHHz的晶晶体振荡荡器作为为行、场场电路的的振荡源源，经11/3的的分频得得到 1156225Hzz的行频频，其稳稳定性和和可靠性性大为提提高。面面且晶振振价格便便宜，更更换容易易。33、在通通信系统统产品中中，石英英晶体振振荡器的的价值得得到了更更广泛的的体现，同同时也得得到了更更快的发发展。许许多高性性能的石石英晶振振主要应应用于通通信网络络、无线线数据传传输、高高速数字字数据传传输等。晶体谐振器器简介一、 石英晶体原原理介绍绍

14、：（一） 石英晶体的的工作原原理：1 压电效应：沿某些晶体体的特定定方向施施加压应应力作用用时，晶晶体产生生形变，同同时产生生电极化化，其极极化强度度与压力力成正比比，称之之为正压压电效应应；反之之，在电电场作用用下，晶晶体产生生应变，应应变大小小与场强强成正比比，称之之为负压压电效应应。压电电效应的的原理是是：外力力作用下下晶格变变形引起起正负电电荷中心心分离而而产生的的。施加加应力时时，在一一个方向向上产生生脉冲电电流，取取消时，在在相反方方向产生生。2稳频原原理： 石英英晶片是是弹性体体，有其其固有频频率，同同时又由由于其为为压电体体，当外外加电场场的交变变频率与与石英晶晶片的固固有频率

15、率相接近近时，由由于负压压电效应应，石英英晶片产产生机械械谐振，此此时振幅幅最大，阻阻抗最小小,电流流最大。若若外加交交变电场场的频率率偏离石石英晶片片的固有有频率时时，阻抗抗迅速增增大,电电流也随随之迅速速减小,故其有有很好的的稳频(对频率率的选择择)作用用。5谐振等等效工作作电路： 石英英晶片经经过被电电极，上上架、封封装即成成为压电电谐振器器。当外外加电场场的交变变频率与与石英晶晶片的固固有频率率相接近近,且外外加电压压的角频频率等于石石英机械械振动的的固有谐谐振角频频率时(取取决于石石英晶体体的几何何尺寸和和切型),晶片片产生机机械谐振振，弹性性振动通通过压电电效应与与路相耦耦合,其其

16、效果等等于由LL1，CC1，RR1的串串联臂和和C0并并联组成成的谐振振回路。此此时机械械振动的的幅度最最大，相相应地晶晶体表面面所产生生的电荷荷量最大大，外电电路中电电流最大大。（二） 石英晶体的的使用：1 石英晶体谐谐振器的的使用回回路： 在振振荡电路路中，石石英晶体体谐振器器作为电电感使用用，与负负载电容容构成实实质上的的LC振振荡电路路，这一一电路称称为哈特特莱电路路。振荡电路的的起振条条件电路相应构构成1正反馈条件件：相位位角为3360OO，产生生正反馈馈回路振荡电路为为哈特莱莱电路2起振时，放放大器的的放大倍倍数11反馈回路，谐谐振器作作为电感感，与负负载电容容构成LLC路3有选频

17、网络络选频元件为为谐振器器4有由非线性性元器件件组成的的限幅电电路负阻抗-RR 在第第一个起起振条件件中,由由于谐振振回路不不是理想想矩形,故存在在不均匀匀性,具具有一定定频带的的信号作作用于回回路时,回路的的电流或或回路端端电压频频率失真真(在通通频带范范围内产产生的频频率失真真被认为为是允许许的).同样,由于回回路的电电流或端端电压对对各个频频率分量量产生的的相位移移不成线线性关系系,故不不可避免免地产生生相位失失真,这这是谐振振回路的的相频特特性,此此特性不不仅仅与与谐振器器条件有有关，还还与振荡荡电路本本身有关关。2 负载电容特特性：(1) 谐振器工作作频率范范围：(2) 串联时,LL

18、1和CC1的电电抗值相相等且符符号相反反。Fss=(11/2)*(L1*C1)1/22.只有有在Fss和Fpp之间的的阴影区区，谐振振器方表表现为感感性，可可组成振振荡回路路。(3) 振荡电路是是等效电电路是由由负阻抗抗-R和和电容CCL构成成的，CCL是由由石英晶晶体谐振振器两端端向振荡荡器看的的有效电电容量，通通常称为为负载电电容。(4) Fs和Fpp之间的的间隔代代表石英英谐振器器的可调调带宽,通过CCL可使使晶体工工作在FFs和Fpp之间的的某一点,谐谐振器在在这一区区域呈现现感性，谐谐振器与与负载串串联后,FL=FS1+C1/(C00+C11).3.激励功功率依赖赖性 激励功功率偏小

19、小时，信信噪比下下降，谐谐振器不不易起振振，其短短期稳定定性和可可靠性下下降；激激励功率率偏大时时谐振器器中晶片片温度上上升，频频率稳定定度下降降，且由由于激励励功率偏偏大，可可能引起起机械形形变超过过弹性限限度使晶晶格产生生永久位位移，甚甚至产生生不振，同同时阻抗抗上升，温温度频差差和温度度阻抗不不稳定。半半导体回回路需要要的正常常工作激激励功率率日益减减小，一一般而言言，谐振振器的激激励功率率以0.1mww为佳。 随着激励励功率的的上升，谐谐振器的的频率也也不断上上升。4.寄生响响应 所有有的石英英谐振器器都有寄寄生响应应（主振振频率之之外的非非需要频频率），寄寄生响应应的频率率值高于于主

20、振频频率，但但其振幅幅比主振振频率小小。寄生生响应的的大小用用公式AAnw=Ig(RNWW/Rrr)表示示。对于于谐振器器而言，通通常寄生生响应的的大小要要求在33-6DDB，而而滤波器器则要求求大于440DB，这这要求一一些特殊殊的技术术参数包包括具有有很小的的C1值值。 随着着频率的的上升和和泛音次次数的增增加，寄寄生响应应减小。因此在应用用晶体谐谐振器时时应对其其匹配的的电容进进行确认认，一般般IC厂厂家都会会在给出出典型电电路的同同时也给给出晶体体的规格格及负载载要求，只只不过杂杂散电容容的影响响会造成成频率的的漂移和和相位的的不稳定定，所以以晶体也也要做出出相应的的更改，因因此在使使

21、用前要要进行匹匹配测试试，主要要有几个个注意要要点：1、 激励功率的的确定，在在电路中中IC提提供给晶晶体的激激励大小小直接影影响到晶晶体工作作的稳定定性，激激励过大大会导致致晶体共共振的破破坏或蒸蒸镀电极极的蒸发发，频率率漂移或或晶体损损坏；2、 最佳电容值值的确定定，保证证精确的的频率输输出；3、 负性阻抗的的测试，如如果负阻阻过小，而而晶体谐谐振阻抗抗偏大，则则会造成成晶体难难起振或或工作不不稳定，负负阻至少少要在晶晶体谐振振阻抗的的5-110倍以以上。注：在应用用晶体谐谐振器时时应由生生产厂家家对其规规格进行行确认，一一般ICC厂家都都会在给给出典型型电路的的同时也也给出晶晶体的规规格

22、及负负载要求求，只不不过杂散散电容的的影响会会造成频频率的漂漂移和相相位的不不稳定，所所以晶体体也要做做出相应应的更改改，因此此在使用用前要进进行匹配配测试，主主要有几几个注意意要点：4、 激励功率的的确定，在在电路中中IC提提供给晶晶体的激激励大小小直接影影响到晶晶体工作作的稳定定性，激激励过大大会导致致晶体共共振的破破坏或蒸蒸镀电极极的蒸发发，频率率漂移或或晶体损损坏，对对高频激激励大晶晶体应考考虑泛音音晶体；5、 最佳电容值值的确定定，保证证精确的的频率输输出；6、 负性阻抗的的测试，如如果负阻阻过小，而而晶体谐谐振阻抗抗偏大，则则会造成成晶体难难起振或或工作不不稳定，负负阻至少少要在晶

23、晶体谐振振阻抗的的5-110倍以以上。了解今天的的可编程程振荡器器内容 -知知道它们们的功能能和应用用将令您您更迅捷捷地评估估及选用用合适的的可编程程振荡器器 在加加速产品品开发周周期和追追求准时时生产的的时代，定定时就是是一切。对对一个设设计工程程师或项项目开发发工程师师来说，几几乎没有有什么事事情比花花六个星星期等待待一个样样机部件件更令人人恼怒的的了，或或许更糟糟的是，在在紧张的的生产过过程中缺缺少一个个关键部部件，而而这个部部件恰好好是晶体体振荡器器。 说说到可编编程振荡荡器，它它的最大大特点是是几分钟钟内就能能定置它它的频率率。这种种“一种种型号全全部搞定定”器件件的诱惑惑力是可可想

24、而知知的。以以单个多多用途部部件代替替库存几几百种部部件的方方式为设设计者、承承包加工工厂和其其它从事事大批量量生产的的电子公公司带来来巨大的的灵活性性，并创创造出潜潜在的节节约效果果。 但但是，切切实可行行地实现现可编程程振荡器器替代固固定频率率元件只只不过是是最近才才出现的的。象每每一种新新兴技术术一样，可可编程振振荡器也也经历了了成长的的磨难。一一致性问问题就曾曾困扰了了整整第第一代设设计产品品。19998年年，一家家厂商风风风火火火地推出出了第二二代可编编程振荡荡器，可可由于过过高的抖抖动使其其在一些些对噪声声敏感的的应用中中失败了了。 幸幸亏关于于可编程程振荡器器可靠性性的指责责是完

25、全全不符合合实际的的，除掉掉一些特特例，现现在的可可编程振振荡器能能满足大大多数样样机的需需要，适适合大多多数生产产应用。了了解下列列内容将将有助于于各位工工程师充充分享用用可编程程振荡器器拥有的的几乎是是即时交交货的时时间优势势，并保保证它能能默默地地、连续续可靠地地工作。 把抖动动困扰降降到最小小 可编编程振荡荡器几乎乎在每一一类、每每一项技技术规范范上都能能与固定定频率的的器件相相匹敌，但但抖动（相相位噪声声）却是是个例外外。可编编程器件件的抖动动有一部部份来源源于编程程过程，或或者更具具体地说说，来源源于编程程算法。 当算法法中用到到乘法时时，抖动动值突然然显著增增大，这这主要是是因为

26、抖抖动被乘乘上了编编程算法法设置特特定频率率时所用用的系数数。虽然然为了得得到所要要的振荡荡器输出出频率，算算法中通通常既需需要用到到乘法也也需要用用到除法法，但除除法并不不加大抖抖动。通通过把编编程算法法的乘法法系数减减到最小小，来自自可编程程器件的的相位噪噪声可以以做到和和传统的的固定频频率器件件很接近近，这主主要是晶晶体及振振荡器电电路产生生的抖动动。 SSaRoonixx公司已已规范了了类似的的编程过过程。保保证可编编程振荡荡器的每每件产品品都具有有稳定一一致的性性能这也同同样具有有重要意意义，SSa RRoniix公司司通过采采用自动动设计流流程以保保证相同同的编程程算法用用于有相相

27、同输出出频率的的所有部部件。 由于有有了这样样的技术术进步，现现在几乎乎每个电电路上都都可采用用可编程程振荡元元件甚至可可用于通通信设备备的某些些电路中中，例如如，XDDSL调调制解调调器。虽虽然振荡荡器可能能影响一一个对抖抖动敏感感的通信信链路，但但就在同同一块电电路板上上，也可可能有一一个由振振荡器驱驱动的DDSP芯芯片，这这个芯片片则完全全不受抖抖动的影影响。 由于自自身研制制周期短短，这些些可编程程振荡器器能跟上上保证设设计计划划按期完完成的日日程。尽尽管有这这个灵活活性，但但在大批批量条件件下，固固定频率率的器件件仍然比比较便宜宜。另一一方面，在在进行样样机生产产时，可可编程器器件要

28、比比固定频频率器件件便宜。 因此，精精明的战战略是制制造样机机的时候候在设计计上采用用可编程程器件来来验证电电路，同同时还把把可编程程振荡器器作为生生产后备备部件。随随着设计计评价的的完成，再再可以大大量生产产特定的的固定频频率器件件以供批批量使用用。 凭凭借可编编程器件件可实现现一种高高效益的的保险策策略，以以解决生生产中关关键部件件短缺的的问题。可可编程振振荡器较较短的研研制周期期使得生生产部门门能在大大量订购购通常所所用的固固定频率率元件之之前先采采办替代代部件，这这样就无无需支付付额外费费用，只只要在生生产最后后期限迫迫近时迅迅速补充充标准部部件就行行了。 虽然然可编程程振荡器器件不可

29、可能完全全取代固固定频率率振荡器器，但可可编程的的概念肯肯定有足足够的优优点使得得半导体体生产商商和主要要振荡器器生产公公司不会会放弃它它的。有有理由相相信，它它的性能能和价格格将一代代一代地地得到改改善。 伴随着着抖动特特性改善善、价格格进一步步降低，新新的优点点将会使使可编程程器件更更有吸引引力。一一种节电电的休眠眠模式对依依赖电池池的移动动设备至至关重要要已已经出现现在可以以供应现现货的产产品目录录上。一一些其它它特性诸诸如频率率范围的的扩展、可可编程的的双路输输出和多多路输出出以及更更大选择择范围的的输出驱驱动特性性，都将将大大提提高生产产、设计计的灵活活性。 理理智的态态度应该该是对

30、于于可编程程振荡器器是否能能在每个个场合都都起作用用不抱成成见，另另方面，为为了确定定可编程程振荡器器能在什什么地方方有效地地发挥作作用，应应该特别别注意它它们在每每一个电电路中的的应用。在在进行设设计的时时候就判判断这个个应用是是不是对对抖动过过于敏感感，同时时选定一一个可编编程振荡荡器，这这种方式式将有助助于一个个工程师师最大限限度发挥挥可编程程振荡器器的长处处，实现现当初选选用它的的初衷。石英晶体振振荡器 石英英晶体振振荡器是是利用石石英晶体体谐振器器作滤波波元件构构成的振振荡器，其其振荡频频率由石石英晶体体谐振器器决定。与与LC谐谐振回路路相比，石石英晶体体谐振器器具有很很高的标标准性

31、和和极高的的品质因因数，因因此石英英晶体振振荡器具具有较高高的频率率稳定度度，采用用高精度度和稳频频措施后后，石英英晶体振振荡器可可以达到到10-4110-99的频率率稳定度度。一 石英晶体振振荡器频频率稳定定度石英晶体振振荡器之之所以能能获得很很高的频频率稳定定度，由由第2章章可知，是是由于石石英晶体体谐振器器与一般般的谐振振回路相相比具有有优良的的特性，具具体表现现为：（1） 石英晶体谐谐振器具具有很高高的标准准性。石石英晶体体振荡器器的振荡荡频率主主要由于于石英晶晶体谐振振器的谐谐振频率率决定。石石英晶体体的串联联谐振频频率fqq主要取取决于晶晶片的尺尺寸，石石英晶体体的物理理性能和和化

32、学性性能都十十分稳定定，它的的尺寸受受外界条条件如温温度、湿湿度等影影响很小小，因而而其等效效电路的的Lq、Cq值很很稳定，使使得fqq很稳定定。（2） 石英晶体谐谐振器与与有源器器件的接接入系数数p很小，一一般为110-33100-4。这这大大减减弱了有有源器件件的极间间电容等等参数和和外电路路中不稳稳定因素素对石英英晶体振振荡器决决定频率率振荡系系统的影影响。（3） 石英晶体谐谐振器具具有非常常高的QQ值。QQ值一般般为10041006，与QQ值仅为为几百数数量级的的普通LLC回路路相比，其其Q值极极高，维维持振荡荡频率稳稳定不变变的能力力极强。二 晶体振荡器器电路晶体振荡器器的电路路类型

33、很很多，但但根据晶晶体在电电路中的的作用，可可以将晶晶体振荡荡器归为为两大类类：并联联型晶体体振荡器器和串联联型晶体体振荡器器。在并并联型晶晶体振荡荡器中，晶晶体起等等效电感感的作用用，它和和其它电电抗元件件组成决决定频率率的并联联谐振回回路与晶晶体管相相连。由由晶体的的阻抗频频率特性性可知，并并联型晶晶体振荡荡器的振振荡频率率在石英英晶体谐谐振器的的fq与fp之间间；在串串联型晶晶体振荡荡器中，振振荡器工工作在邻邻近fqq处，晶晶体以低低阻抗接接入电路路，即晶晶体起选选频短路路线的作作用。两两类电路路都可以以利用基基频晶体体或泛音音晶体。1 并联型晶体体振荡器器图1示出了了一种典典型的晶晶体

34、振荡荡器电路路，当振振荡器的的频率在在晶体的的串联谐谐振频率率和并联联谐振频频率之间间时晶体体呈感性性，该电电路满足足三端式式振荡器器的组成成原则，而而且该电电路与电电容反馈馈的振荡荡器对应应，通常常称为皮皮尔斯振振荡器。CC3起到微微调振荡荡频率的的作用，同同时也起起到减小小晶体管管和晶体体之间的的耦合作作用。CC1、C2既是回回路一部部分，也也是反馈馈电路。皮尔斯振荡荡器的工工作频率率应由CC1、C2、C3及晶体体构成的的回路决决定，即即由晶体体电抗XXe与外外部电容容相等的的条件决决定，设设外部电电容为CCL，则式（1）由图有 式（22）将式（1）用用图形表表示为图图2的情情形。图图中有

35、两两个交点点，靠近近晶体串串联频率率q附近的的1是稳定定工作点点。当1靠近q时，由由图2，电电抗Xee与忽略略晶体损损耗时的的晶体电电抗很接接近，因因此振荡荡频率ff1等于于包括并并联电容容CL在内的的并联谐谐振频率率。因CCL实际与与晶体静静电容并并联，因因此只要要引入一一等效接接入系数数p式(3)则由前面并并联谐振振频率公公式可得得式(4)由上式可见见，改变变CL可以微微调振荡荡频率。通通常电路路中C33C1，C2，CL主要由由C3决定，实实际电路路中用与与晶体串串一小电电容C33来微调调振荡频频率。通通常，晶晶体制造造厂家为为便利用用户，对对用于并并联型电电路的晶晶体，规规定一标标准的负

36、负载电容容CL，可以以将振荡荡频率调调整到晶晶体标称称频率上上。在几几兆赫兹兹至几十十兆赫兹兹范围，一一般CLL规定为为30PPf。、反馈系数FF的大小小为 式（55）由于晶体的的品质因因数Qqq很高，故故其并联联谐振电电阻R00也很高高，虽然然接入系系数p较小，但但等效到到晶体管管CE两两端的阻阻抗RLL仍较高高，所以以放大器器的增益益较高，电电路很容容易满足足振幅起起振条件件。图33是并联联型晶体体振荡器器的实际际电路，其其适宜的的工作频频率范围围为0.8515MMHz。如图4示出出了另一一种并联联型晶体体振荡器器电路，该该电路晶晶体接在在基极和和发射极极之间，只只要晶体体呈现感感性，该该

37、电路即即满足三三端式振振荡器的的组成原原则，且且电路类类似于电电感反馈馈的振荡荡器，又又称为密密勒振荡荡器。由由于晶体体与晶体体管的低低输入阻阻抗并联联，降低低了有载载品质因因数QLL，故密密勒振荡荡器的频频率稳定定度较低低。由于皮尔斯斯振荡器器的频率率稳定度度比密勒勒振荡器器高，故故实际应应用的晶晶体振荡荡器大多多为皮尔尔斯振荡荡器，在在频率较较高时可可以采用用泛音晶晶体构成成。图55给出了了一种应应用泛音音晶体构构成的皮皮尔斯振振荡电路路。图中中L、CC1构成的的并联谐谐振回路路是用以以破坏基基频和低低次泛音音的相位位条件，使使振荡器器工作在在设定的的泛音频频率上。如如电路需需要工作作在5

38、次次泛音频频率上，应应使L、CC1构成的的并联回回路的谐谐振频率率低于55次泛音音频率，但但高于所所要抑制制的3次次泛音频频率，这这样对低低于工作作频率的的低泛音音频率来来说，LL、C11并联回回路呈现现一感性性，不能能满足三三端式振振荡器的的组成原原则，电电路不能能振荡，但但工作在在所需的的5次泛泛音上时时，L、CC1并联回回路就呈呈现容性性，满足足三端式式的组成成原则，电电路能工工作。需需要注意意的是，并并联型晶晶体振荡荡器电路路工作的的泛音不不能太高高，一般般为3、55、7次次，高泛泛音振荡荡时，由由于接入入系数的的降低，等等效到晶晶体管输输出端的的负载电电阻将下下降，使使放大器器增益减

39、减小，振振荡器停停振。图6是一场场效应管管晶体并并联型振振荡器线线路，晶晶体等效效成一感感性，构构成一等等效的电电容反馈馈振荡器器。2串联型型晶体振振荡器在串联型晶晶体振荡荡器中，晶晶体接在在振荡器器要求低低阻抗的的两点之之间，通通常接在在反馈电电路中。图图7示出出了一串串联型晶晶体振荡荡器的实实际线路路和等效效电路。由由图可见见，如果果将晶体体短路，该该电路即即为一电电容反馈馈的振荡荡器。电电路的工工作原理理为：当当回路的的谐振频频率等于于晶体的的串联谐谐振频率率时，晶晶体的阻阻抗最小小，近似似为一短短路线，电电路满足足相位条条件和振振幅条件件，故能能正常工工作；当当回路的的谐振频频率距串串

40、联谐振振频率较较远时，晶晶体的阻阻抗增大大，使反反馈减弱弱，从而而使电路路不能满满足振幅幅条件，电电路不能能工作。串串联型晶晶体振荡荡器的工工作频率率等于晶晶体的串串联谐振振频率，不需要外加负载电容CL，通常这种晶体标明其负载电容为无穷大，在实际制作中，若fq有小的误差，则可以通过回路调谐来微调。串联型晶体体振荡器器能适应应高次泛泛音工作作，这是是由于晶晶体只起起到控制制频率的的作用，对对回路没没有影响响，只要要电路能能正常工工作，输输出幅度度就不受受晶体控控制。3使用注注意事项项使用石英晶晶体谐振振器时应应注意以以下几点点：（1）石英英晶体谐谐振器的的标称频频率都是是在出厂厂前，在在石英晶晶

41、体谐振振器上并并接一定定负载电电容条件件下测定定的，实实际使用用时也必必须外加加负载电电容，并并经微调调后才能能获得标标称频率率。为了了保持晶晶振的高高稳定性性，负载载电容应应采用精精度较高高的微调调电容。（2）石英英晶体谐谐振器的的激励电电平应在在规定范范围内。过过高的激激励功率率会使石石英晶体体谐振器器内部温温度升高高，使石石英晶片片的老化化效应和和频率漂漂移增大大，严重重时还会会使晶片片因机械械振动过过大而损损坏。（3）在并并联型晶晶体振荡荡器中，石石英晶体体起等效效电感作作用，若若作为容容抗，则则在石英英晶片失失效时，石石英谐振振器的支支架电容容还存在在，线路路仍可能能满足振振荡条件件

42、而振荡荡，石英英晶体谐谐振器失失去了稳稳频作用用。（4）晶体体振荡器器中一块块晶体只只能稳定定一个频频率，当当要求在在波段中中得到可可选择的的许多频频率时，就就要采取取别的电电路措施施，如频频率合成成器，它它是用一一块晶体体得到许许多稳定定频率。三 高稳定晶体体振荡器器前面介绍的的并联、串串联型晶晶体振荡荡器的频频率稳定定度一般般可达110-55量级，若若要得到到更高稳稳定度的的信号，需需要在一一般晶体体振荡器器基础上上采取专专门措施施来制作作。影响晶体振振荡器频频率稳定定度的因因素仍然然是温度度、电源源电压和和负载变变化，其其中最主主要的还还是温度度的影响响。为减小温度度变化对对晶体频频率及

43、振振荡频率率的影响响，一个个办法就就是采用用温度系系数低的的晶体晶晶片，目目前在几几兆赫兹兹至几十十兆赫兹兹范围内内广泛采采用ATT切片，其其具有的的温度特特性如图图8所示示。由图图可见，在在（-220770）的正常常工作温温度范围围内，相相对频率率变化小小于510-66；并且且在（550555）温度范范围内有有接近于于0的温温度系数数（在此此处有一一拐点，约约在522处）。另另一个有有效的办办法就是是保持晶晶体及有有关电路路在恒定定温度环环境中工工作，即即采用恒恒温装置置，恒温温温度最最好在晶晶片的拐拐点温度度处，温温度控制制得越精精确，稳稳定度越越高。图9是一种种恒温晶晶体振荡荡器的组组成

44、框图图。它由由两大部部分组成成：晶体体振荡器器和恒温温控制电电路。图9中虚框框内表示示一恒温温槽，它它是一绝绝热的小小容器，晶晶体安放放在此槽槽中。恒恒温的原原理为，槽槽内的感感温电阻阻（如温温敏电阻阻）作为为电桥的的一臂，当当温度等等于所需需某一温温度（拐拐点温度度）时，电电桥输出出直流电电压经放放大后，对对加热电电阻丝加加热，以以维持平平衡温度度；当环环境温度度变化，从从而使槽槽温偏离离原来温温度时，通通过感温温电阻变变化改变变加热电电阻的电电流，从从而减少少槽温的的变化。图图中的自自动增益益控制（AAGC）起起到振幅幅稳定的的作用，同同时，由由于振荡荡器振幅幅稳定，晶晶体的激激励电平平不

45、变，也也使得晶晶体的频频率稳定定。目前前，恒温温控制的的晶体振振荡器已已制成标标准部件件供用户户使用。恒恒温晶体体振荡器器的频率率稳定度度可达110-77100-9。恒温控制的的晶体振振荡器频频率稳定定度虽高高，但存存在着电电路复杂杂、体积积大、重重量重等等缺点，应应用上受受到一定定限制。在在频率稳稳定度要要求不十十分高而而又希望望电路简简单、体体积小、耗耗电省的的场合，常常采用温温度补偿偿晶体振振荡器，如如图示，RRT为温敏敏电阻，当当环境温温度改变变时，由由于晶体体的频率率随温度度变化，振振荡器频频率也随随温度变变化，温温度改变变时，温温敏电阻阻改变，加加在变容容管上的的偏置电电压改变变，从而而使变容容管电容容变化，以以补偿晶晶体频率率的变化化，因此此整个振振荡器频频率随温温度变化化很小，从从而得到到较高的的频率稳稳定度。需需要说明明的是，要要在整个个工作温温度范围围内实现现温度补补偿，其其补偿电电路是很很复杂的的。温度度补偿晶晶体振荡荡器的频频率稳定定度可达达10-5110-66。