晶体振荡器基础知识

器件基础知识（振荡器）

2.8  振荡器

12.8.1  基本概念

（1）石英晶体谐振器为晶体振荡器的核心元件，由石英片、电极、支架及其他辅助装置组成，它是利用石英晶体的压电效应原理制成的电、机械振荡系统，由于石英晶体在物理和化学性能上都是较稳定的材料，因而其谐振频率必然稳定，晶体具有品质因数高，弹性振动损耗小的特点以及采用不同切割方式和几何形状可获得良好频率温度特性的优点，它被广泛应用于各类普通振荡器，压控振荡器，温度补偿晶体振荡器以及恒温晶体振荡器等。

 （2）晶体振荡器是一种把直流电能转变成交流电能的装置，有时也称为信号发生器，它由直流电源、晶体管或电子管及振荡系统三个主要部分组成。使用了以晶体为核心的振荡电路，由于使用了具有高Q值的晶体，因此振荡器稳定性比较好，主要用于时钟信号产生电路和时钟标准。按用途和特点可分为普通晶体振荡器、电压控制晶体振荡器、温补晶体振荡器和温度控制晶体振荡器；按晶体振荡模式分，基频晶体振荡器、泛音晶体可分为振荡器；按采用分频、倍频技术可分为倍频晶体振荡器、分频晶体振荡器；如果按特定的技术要求也可以分为高稳定晶体振荡器、低噪声晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐低温晶体振荡器、耐辐射晶体振荡器等等。

2.8.2  石英晶体谐振器结构特点

（一）振荡器的频率稳定与Q值关系

频率稳定度一般用频率的相对变化量Df/f₀来表示，f₀为振荡频率，Df为频率偏移。谐振回路的Q值愈高，频率稳定度愈高。但一般的LC振荡器，其Q值只可达到几百，振荡器频率稳定度大约为10^-2~10^-3；如果用石英晶体谐振器取代LC振荡器中的L、C元件所组成的振荡器，其Q值低十万高达百万，晶体振荡器频率稳定度在10^-4~10^-11量级，因此在要求高频率稳定度的场合，都采用石英晶体振荡器。

 （二）石英晶体材料的基本特性

（1）各向异性

石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是SiO₂，两端呈角锥形，中间是一个六面体。从一块晶体上按一定的方位角度切下的薄片称为晶片（可以是正方形，矩形或圆形等），然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，如图1所示，一般用金属外壳密封，也有用玻璃封装的。

图1  石英晶体的一种结构

（2） 压电效应

石英晶片所以能做振荡器是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变压振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的幅度是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片做固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器，简称晶体。

晶体中除基波振荡外尚有谐波振荡，其谐波频率近似为基波的奇数倍，如3、5、7、9倍。

（3） 晶体谐振频率

谐振频率主要由其切割方位，振动模式以及晶片的尺寸决定。例如，取纵向振动模式（AT切），其频率近似由下式给出： 如38MHZ基频晶体晶片厚度仅为0.04mm。由于传统机械切割方式晶片越薄加工越困难，容易碎片，因此基波晶体频率范围常取0.5~30MHZ，如果频率再高就要用到3次、5次或7次泛晶体。

（4）晶体切割（cut）

为了得到较好的谐振效果，按应用要求不同，严格按一定方位切割晶体。常用切割有AT切、BT切、CT切、DT切、SC切。用得最多的AT切，便是按Q＝35癬21'（基频）或Q＝34癬～35癬28'（泛音）切割晶体。SC切晶体具有开机特性好，老化小，温度特性好、已广泛用在高稳定恒温晶体振荡器中。

（三）晶体谐振器的等效电路

（1） 等效电路

石英晶体的压电谐振现象可以图2所示的等效电路来模拟。等效电路中的C₀为切片与金属板构成的静电容，L₁和C₁分别模拟晶体的质量（代表惯性）和弹性，而晶片振动时，因磨擦而造成的损耗则用电阻R₁来等效。石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值（等效于L/C），因而它的品质因素Q高达10⁴～10⁶的范围内。例如一个4MHZ的石英晶体的典型参数为：L₁＝100MH，C₁＝0.015PF，C₀＝5PF，R₁＝100W，Q＝25000。

图中石英晶体的总导纳为：   

总电抗

电路谐振的条件是上式虚部为0，得到：

 串联谐振频率

  并联谐振频率

由图3可见，当工作频率f<fr时，晶体呈容性；当工作频率在fr与fa之间时，晶体呈感性；当f>fa时，晶体又呈现容性。晶体在并联谐振电路中呈现感性，即工作频率f去fr与fa之间。

                                 图2，晶体等效电路

同样可以推导出晶体元件跟负载电容C_L相串联：

    串联谐振频率

     并联谐振频率

晶体元件跟负载电容C_L相并联：

    串联谐振频率

   并联谐振振频率

从上面可以看出，在适当的电路中不论负载电容是串联还是并联，其振荡频率相同，只要给定外接电容就可以下式计算出负载谐振电阻：

                  注：在图b和图c中所示的负载电容值是相等的

图3，  谐振频率、反谐振频率和负载谐振频率

（2） 石英晶体的频率调节

加上负载电容后，负载谐振频率偏移：

在许多应用场合，用可变电容器（微调电容器）或变容二极管作为负载电容来调节频率。

在规定负载电容下的牵引灵敏度（S）是一个十分有用的参数。它定义为由于负载电容增量变化引起的相对频率增量变化。它通常用PPM/PF来表示，并能按下式计算：

1 （四）晶体谐振器失效模式

（1）晶体谐振器失效的主要模式

晶体谐振器的主要失效模式有：

（a）引线开路

（b）内部晶片破裂

（c）外壳漏气

（d）等效电阻超规范

（f）频率偏移过大

（2）晶体谐振器的主要失效机理

失效原因、失效机理和改进方向如下表。

 2.8.3  晶体应用一般要求及普通晶体振荡器设计

（一）元器件要求

（1）晶体安装时外盒要求接地，尤其对几十兆以上频率的晶体，这样可以减少寄生频率振荡的可能性。

（2）晶体是温度敏感元器件，安装时应 远离耗散功率大的元器件。

（3）晶体工作频率由负载电容确定，负载电容的稳定性直接关系到晶体产生频率的稳定性，因此要求负载电容非常稳定。对负载电容有贡献的电容，要求选用高稳定，零温度系数，低老化的电容，同样电容 也要 远离耗散功率大的器件。

（4）对于低于（包括）30MHz频率，选用基频晶体；对于高于30MHz频率，通常选用泛音晶体。频率一高，晶片很薄，加工、生产存在困难。对于泛音晶体一定要加谐波抑制网络，让基频不谐振。

（二）晶体振荡电路设计

（1）普通晶体振荡电路

图为典型基频晶体典型的振荡电路（并联谐振），由外接电容C₁、C₂，电阻R₁、晶体和IC构成。R_f已设计在IC内部，一般为1MW～10MW，Rf目的是确定静态工作点，反向器保证工作在线性区。

图4  晶体振荡电路

图5   放大器的寄生电容

电路参数确定

A、  C₁、C₂的确定

考虑到集成电路的电容，驱动能力、杂散电容，输入输出电容和实际的C_L值之间进行折衷。存在于晶体两端的并联负载电容C_L可以按下式估算：

                    （1）

通常取C_in=5PF             C_out=6PF C_a=1PF

C₀为晶体的静电容，对HC－49U晶体典型值C₀＝5PF，HC－49US晶体C₀＝3PF，C₁和 C₂为外接电容。对于给定的晶体，其C_L值一定，可以推算出C₁、 C₂的值。

对V_DD＝5V，C_L取法推荐值见下表。

振荡器的频率可以通过部分或全部改变C₁的值来微调。晶体和振荡器中的有关元件必须尽可能靠近OSC_in和OSC_out端，以减小失真，杂散电容、杂散电感和起振信号的稳定建立时间。有时，杂散电容应加入C_in 和C_out中。

B、  R₁（或C）的确定

0R₁有两个作用：一是控制晶体的激励电平；二是有相位补偿作用。

a、晶体的激励越大，起振越快，振荡器的起振建立时间与R₁成正比。晶体的激励过小，信号不稳定，有停振的危险；晶体激励过大，晶体老化严重变差，甚至有晶片震破的现象发生。因此一般的IC对晶体参数有明确的要求。

为了保证晶体可靠地工作，振荡器电路应设计成当使用阻值为选定晶体的最大等效电阻3倍的晶体元件的振荡器也能振荡。

为了验证晶体激励是否过度，可在OSC_out端监视其输出频率与电源电压的关系。当直流电源电压增加10％时（＋5V），振荡频率应非常缓慢地增加。如果晶体被驱动过度，则当电源电压增加10％时，该振荡频率将减小或不稳定。出现驱动过度时，必须减小工作电源电压或增加R₁。

b、由于反相器都存在相移，且随着频率的增加而增大，加上电阻R₁对相移有补偿作用，尤其对频率高时建议R₁改为电容C，效果更明显。对现成IC，制造厂家，可能对电路进行了调试，大多数情况下取R₁＝0，但对自己设计的振荡电路，一定要加上R₁，R₁一般取220W以下值，典型值为220W。

对振荡频率高的电路，如20MHZ以上，建议用电容代替R₁。由于相移的存在，振荡频率偏低标称频率，加上C后，通过改变C，把频率校到标准频率。C典型值为50PF。

（2）  泛音晶体谐波抑制

泛音晶体振荡器是在基频振荡器的基础上加上LC回路，对基频进行抑制。如图所示，把L₂C₂调谐在比振荡频率低一点的频率上（建议低10％），使L₂C₂回路在工作频率时等效一个电容，而在低于工作频率的基频上呈感性，不满足振荡条件而不起振。而在5次泛音，其等效阻抗比基频和3次泛音上等效阻抗大得很多，不满意振幅起振条件而不需要加以抑制。

                                  图9，典型泛音晶体振荡电路

图中C₃作隔直流图，可取大电容，如1000PF等。在工作频率时L₂C₂回路等效一个电容，假设为Ce，则取C₁＝Ce，C₁， Ce由前面（1）确定。L₂、C₂由（2）、（3）确定：

                     （2）

                         （3）

                                          图10，L₂C₂回路等效电路

W为工作频率，Wp为C₂、L₂调谐频率。

  （3）压控晶体振荡器 

      图 11为典型压控晶体振荡器原理图  ，  变容二极管及其控制电路，就等效一个可变化的晶体负载电容一部分，其大小受外来直流电压 控制。 在设计该电路过程中要注意，变容二极管要同振荡电路直流支路隔离，如图中102电容就是隔离直流作用；  控制变容二极管的直流电压要去掉交流成分，做到直流电压近可能纯，要采取滤交流措施，图中100K电阻前电容，就是用来滤交流成分。在电路调整过程中要解决好压控范围和压控线性度的关系。一般说来压控范围越宽，线性度和对称性就越差。在电路设计中确定变容二极管线性范围很重要，如果变容二极管灵敏度大可以串并适当的电容，减小变容二极管在电路中的份量。