石英晶体振荡器论文

石英晶体振荡器论文 石英晶体振荡器 学院:山西信息职业技术学院 系别: 信 息 工 程 系 专业: 应 用 电 子 技 术 班级: 电 子 1001 班 姓名: 路 帅 摘要 摘要 石英晶体振荡器是目前频率稳定度和精确度较高的晶体振荡器。它在老化率、温度稳定性、长期稳定度和短期稳定度等方面的性能都非常好，作为精密时仪等电子仪器中。随着科学技术的发展，对石英晶体振荡器的性能提出了更高的要求。 围绕着如何提高石英晶体振荡器的频率稳定度，本文集中探讨了一下几个方面的工作:分析了石英谐振器的特性及其对晶体振荡器性能的影响，从而为高稳定度石英晶体振荡中对石英晶体的选择提供了一句。分析了振荡电路基本原理，从而出由2N3904构成的石英晶体振荡电路，并对电路中输出电路部分及稳压部分设计中的问题进行讨论。最后，论述了恒温晶体振荡器的主要制作过程和技术指标，并对试制石英晶体振荡器样品技术性能进行了测试和分析。 关键词:石英晶体振荡器;压电效应;频率稳定度;稳压电路;射极输出器 I 目录 目录 第一章 研究意义 .................................................................................................................... 1 第二章 发展现状 .................................................................................................................... 1 第三章 种类详介 .................................................................................................................... 2 3.1 石英晶体振荡器 ............................................................................................................. 2 3.2温度补偿晶体振荡器 ........................................................................................................ 3 3.2.1 TCXO发展现状 .................................................................................................... 3 3.2.2 TCXO的应用 ........................................................................................................ 4 5 3.3电压控制晶体振荡器 ........................................................................................................ 3.4恒温控制晶体振荡器 ........................................................................................................ 5 第四章 石英晶体振荡器的功能作用 ............................................................................... 7 第五章 石英晶体振荡器的基本概况及分类.................................................................. 7 5.1 基本概况 ......................................................................................................................... 7 5.2 基本分类 ......................................................................................................................... 8 5.3 有源晶振 ......................................................................................................................... 8 5.3.1 有源晶振有4只引脚 ......................................................................................... 8 5.3.2 有源晶振的用法 ................................................................................................. 9 5.3.3 主要参数 ........................................................................................................... 10 5.3.4 方形有源晶振引脚分布 ................................................................................... 10 5.3.5 BTW ..................................................................................................................... 10 5.3.6 实际数据 ........................................................................................................... 10 5.4 无源晶振 ....................................................................................................................... 11 5.4.1 无源晶振是有2个引脚的无极性元件 ........................................................... 11 5.4.2 有源晶振和无源晶振的区别 ........................................................................... 11 第六章 石英晶体振荡器的原理、类型及参数 ........................................................... 12 6.1 石英晶体谐振器的基本原理 ....................................................................................... 12 6.1.1石英晶体谐振器的结构 ...................................................................................... 12 6.1.2 压电效应 ........................................................................................................... 12 6.1.3 符号和等效电路 ............................................................................................... 13 6.1.4 谐振频率 ........................................................................................................... 13 6.2 石英晶体振荡器的类型特点 ....................................................................................... 14 6.2.1 石英晶体振荡器的类型 ................................................................................... 14 6.2.2 石英晶体振荡器的特点 ................................................................................... 15 6.3.1 晶振的主要参数 ............................................................................................... 15 6.3.2 主要参数的描述 ............................................................................................... 15 第七章 石英晶体振荡器的基本工作原理 .................................................................... 17 7.1 PXO工作原理 ................................................................................................................ 17 II 目录 7.2 VCXO工作原理 .............................................................................................................. 18 7.3 TCXO工作原理 .............................................................................................................. 19 第八章 石英晶体振荡电路................................................................................................ 20 8.1串联型晶体振荡器 .......................................................................................................... 20 8.2并联谐振型晶体振荡器 .................................................................................................. 21 8.3 泛音晶体振荡电路 ....................................................................................................... 22 8.4 #设计#的确定 ........................................................................................................... 23 8.4.1 方案确定 ........................................................................................................... 23 8.4.2 调整与改进 ....................................................................................................... 24 8.5 电路参数设计 ............................................................................................................... 24 8.5.1 确定三极管静态工作点 ..................................................................................... 24 8.5.2交流参数的确定 .................................................................................................. 25 第九章 选用指南 .................................................................................................................. 26 III 石英晶体振荡器 第一章 研究意义 金融危机以来，国家围绕“保增长、调结构”采取了一系列调控政策，为我国石英晶体振荡器行业提供了较为宽松的国内发展环境，使石英晶体振荡器行业从2008年下半年以来的困境中得到了缓解和恢复。我国石英晶体振荡器行业也在加快产业结构调整、转变发展方式，为行业持续发展提供了动力和支撑。在全球经济不景气、国际市场持续低迷的情况下，我国石英晶体振荡器行业仍然呈现出了企稳回升、发展逐渐向好的良好局面。 虽然石英晶体振荡器行业发展很快，但是市场存在的一些问题不容忽视，如市场无序竞争、产品质量下降、创新乏力等。石英晶体振荡器行业的规划和发展需要建立在充分市场调研的基础之上，石英晶体振荡器市场管理需要认清市场经济条件下政府和企业的角色定位，石英晶体振荡器市场有序运行需要完善市场交易规则和各项制度。 第二章 发展现状 石英的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英(a-石英)，是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英(b-石英)。 低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。受压或受热能产生电效应。 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30,100倍。采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已经上市 石英晶体振荡器。 2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到?25ppm，VCXO的频率稳定度在10,7?范围内一般可达?20,100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为?0.0001,5ppm，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。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 1 石英晶体振荡器 200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650,1700MHz，电源电压2.2,3.3V，工作电流8,10mA。 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。电源电压一般为3.3V。许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。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VG—2320SC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SMDTCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的10,25MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到?0.01ppm的稳定度。 第三章 种类详介 3.1 石英晶体振荡器 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，它的基本结构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、陶瓷或塑料封装的。石英晶体的压电效应: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。注意，这种效应是可逆的。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。 石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、电压控制 )、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)和数字化/μp补偿式晶体晶体振荡器(VCXO 振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业(JIS)中，称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。现以SPXO为 例，简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。 石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由品质因数(Q)很高的晶体谐振器(即晶体振子)与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率(基频或n次谐波频率)及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。石英晶体谐振器的基本结构、(金属壳)封装及其等效电路。只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产 2 石英晶体振荡器 生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。 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。 2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。面且晶振价格便宜，更换容易。 3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。 3.2温度补偿晶体振荡器 温度补偿晶体振荡器(TCXO)是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。TCXO中，对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型: (1)直接补偿型 直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成 石英晶体振荡器 的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板(PCB)尺寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于?1pmm时，直接补偿方式并不适宜。 (2)间接补偿型 间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度,电压变换电路，并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现?0.5ppm的高精度，但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数(A/D)变换器，将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿，使晶体振荡器频率稳定度非常高，但具体的补偿电路比较复杂，成本也较高，只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。 3.2.1 TCXO发展现状 TCXO在近十几年中得到长足发展，其中在精密TCXO的研究开发与生产方面， 3 石英晶体振荡器 日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20 以上，目前的主流产品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件体积仅为0.27 。在30年中，TCXO的体积缩小了50余倍乃至100倍。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm，在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90%。金石(KSS)集团生产的TCXO频率范围为2,80MHz，温度从,10?到60?变化时的稳定度为?1ppm或?2ppm;数字式TCXO的频率覆盖范围为0.2,90MHz，频率稳定度为?0.1ppm(,30?,+85?)。日本东泽通信机生产的TCO,935/937型片式直接温补型TCXO，频率温度特性(点频15.36MHz)为?1ppm/,20,+70?，在5V?5%的电源电压下的频率电压特性为?0.3ppm，输出正弦波波形(幅值为1VPP)，电流损耗不足2mA，体积1 ，重量仅为1g。PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装，正弦波或逻辑输出，在,55?,85?范围内能达到?0.25,?1ppm的精度。国内的产品水平也较高，如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的TCXO(32,40MHz)在室温下精度优于?1ppm，第一年的频率老化率为?1ppm，频率(机械)微调??3ppm，电源功耗?120mw。目前高稳定度的TCXO器件，精度可达?0.05ppm。 高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究课题。在小型化与片式化方面，面临不少困难，其中主要的有两点:一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小，温度补偿更加困难;二是片式封装后在其回流焊接作业中，由于焊接温度远高于TCXO的最大允许温度，会使晶体振子的频率发生变化，若不采限局部散热降温措施，难以将TCXO的频率变化量控制在?0.5×10,6以下。但是，TCXO的技术水平的提高并没进入到极限，创新的内容和潜力仍较大。 3.2.2 TCXO的应用 石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用，由于TCXO具有较高的频率稳定度，而且体积小，在小电流下能够快速启动，其应用领域重点扩展到移动通信系统。TCXO作为基准振荡器为发送信道提供频率基准，同时作为接收通道的第一级本机振荡器;另一只TCXO作为第2级本机振荡器，将其振荡信号输入到第2变频器。目前移动电话要求的频率稳定度为0.1,2.5ppm(,30,+75?)，但出于成本上的考虑，通常选用的规格为1.5,2.5ppm。移动电话用12,20MHz的TCXO代表性产品之一是VC,TCXO,201C1，采用直接补偿方式，，由日本金石(KSS)公司生产。 应用: 测试设备 频率范围: 1MHz-160MHz 常用频点: 4 5 5.12 6 6.4 8.192 9.216 10 10.24 12 12.8 13 14.4 15.36 16.38 16.384 19.44 19.68 19.8 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 52 50 77.76 80 100 155.52 4 石英晶体振荡器 3.3电压控制晶体振荡器 电压控制晶体振荡器(VCXO)，是通过施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在典型的VCXO中，通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。VCXO允许频率控制范围比较宽，实际的牵引度范围约为?200ppm甚至更大。如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高，可采用倍频方案。扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频。与单一的振荡器相比，这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展。 在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的VCXO代表性产品是日本精工?爱普生公司生产的VG,2320SC。这种采用与IC同样塑封的4引脚器件，内装单独开发的专用IC，器件尺寸为12.6mm×7.6mm×1.9mm，体积为0.19 。其标准频率为12,20MHz，电源电压为3.0?0.3V，工作电流不大于2mA，在,20,+75?范围内的频率稳定度??1.5ppm，频率可变范围是?20,?35ppm，启动振荡时间小于4ms。金石集团生产的VCXO，频率覆盖范围为10,360MHz，频率牵引度从?60ppm到?100ppm。VCXO封装发展趋势是朝SMD方向发展，并且在电源电压方面尽可能采用3.3V。日本东洋通信机生产的TCO,947系列片式VCXO，早在90年代中期前就应用于汽车电话系统。该系列VCXO的工作频率点是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，频率温度特性?2.5ppm/,30,+75?，频率电压特性?0.3ppm/5V?5%，老化特性?1ppm/年，内部采用SMD/SMC，并采用激光束和汽相点焊方式封装，高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统(PHS)等移动通信用VCXO，共有两大类六个系列，为适应SMT要求，全部采用SMD封装。Saronix的S1318型、Vectron国际公司的J型、Champion技术公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1,KH/LH等VCXO，均是表面贴装器件，电源电压为3.3V或5V，可覆盖的频率范围或最高频率分别为32,120MHz、155MHz、2,40MHz和1,50MHz，牵引度从?25ppm到?150ppm不等。MF电子公司生产的T,VCXO系列产品尺寸为5mm×7mm，曾被业内认为是外形尺寸最小的产品，但这个小型化的记录很快被打破。新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm，并且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司生产的VX,8000系。 应用: 移频直放站、测试设备、蜂窝基站 频率范围: 1MHz-200MHz 常用频点: 12.8 13 15.36 16.38 16.384 18.432 19.44 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 44.545 51.2 58.078 65 70 73.6 100 107.374 120 131.04 135.56 3.4恒温控制晶体振荡器 恒温控制晶体振荡器(OCXO)是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器，其内部结构如图4所示。在OCXO中，有的只将石英晶体振子置于恒 5 石英晶体振荡器 温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在1×10,9。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻“电桥”构 )的(C1app)成的差动串联放大器，来实现温度控制的。具有自动增益控制(AGC振荡电路，是目前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。OCXO的技术水平有了很大的提高。日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的1/10。在克服OCXO功耗较大这一缺点方面取得了重大突破。该公司使用应力补偿切割(SCCut)石英晶体振子制作的OCXO，与使用AT切形石英晶体振子的OCXO比较，具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率(C/N)，是表征频率颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶体制成的同样OCXO，则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。 金石集团生产的OCXO，频率范围为5,120MHz，在,10,+60?的温度范围内，频率稳定度有?0.02、?0.03和?0.05ppm，老化指标为?0.02ppm/年和?0.05ppm/年。Oak频率控制公司的4895型4.096,45MHz双恒温箱控制OCXO，温度稳定度仅为0.002ppm(2×10,10)/0,75?;4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率为?0.03ppm/年。如果体积缩小一点，在性能指标上则会有所牺牲。Oak公司生产的10,25MHz表面贴装OCXO，频率稳定度为?0.05ppm/0,70?。PiezoCrystal的275型用于全球定位系统(GPS)的OCXO采用SC切形石英晶体振子，在0,75?范围内总频偏小于?0.005ppm，最大老化率为?0.005ppm/年。Vectron国际公司的CO,760型OCXO，尺寸为25.4mm见方，高12.7mm，在OCXO产品中，体积算是较小的。随着移动通信产品的迅猛增长，对OCXO的市场需求量会逐年增加。OCXO的发展方向是顺应高频化、高频率稳定度和低相位噪声的要求，但在尺寸上的缩小余地非常有限。 应用:GPS时钟、移频直放站、基站、接入网、测试设备 特点:低相位噪声、高稳定度 频率范围: 1MHz,160 MHz 常用频点: 4.096 5 5.12 6.4 8.192 9.8304 10 10.23 10.24 12 12.8 13 15.36 15.6 16.38 16.384 19.44 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 40.545 51.2 58.078 65 73.6 77.76 80 100 107.374 120 131.04 160 6 石英晶体振荡器 第四章 石英晶体振荡器的功能作用 晶振在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类:基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路;RC(电阻、电容)振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。影响振荡器工作的环境因素有:电磁干扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器(硅振荡器)。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。 选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。CMOS放大器功耗与工作频率成正比，可以表示为功率耗散电容值。比如，HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。在4MHz、5V电源下工作时，相当于1.8mA的电源电流。再加上20pF的晶振负载电容，整个电源电流为2.2mA。陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容，相应地也需要更多的电流。相比之下，晶振模块一般需要电源电流为10mA ~60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频(固定)器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器，如MAX7375，工作在4MHz时只需不到2mA的电流。 在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素:精度、成本、功耗以及环境需求。 第五章 石英晶体振荡器的基本概况及分类 5.1 基本概况 晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决 7 石英晶体振荡器 这个问题。 晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫压电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电..的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡峭的带通或带阻曲线。 5.2 基本分类 晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振(谐振)的英文名称不同，无源晶振为crystal(晶体)，而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确;有源晶振是一个完整的谐振振荡器。石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数:谐振电阻(RR)，谐振器没有电阻要求。RR的大小直接影响电路的性能，因此这是各商家竞争的一个重要参数。 5.3 有源晶振 5.3.1 有源晶振有4只引脚 是一个完整的振荡器，里面除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件 。有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单(主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可)，不需要复杂的配置电路。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，价格相对较高。对于时序要求敏感的应用，还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如TI的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。图5-1为有源晶振的外形图。 8 石英晶体振荡器 图5-1 有源晶振的外形图 5.3.2 有源晶振的用法 有源晶振型号众多，而且每一种型号的引脚定义都有所不同，接法也不同,下面我介绍一下有源晶振引脚识别，以方便大家:有个点标记的为1脚，按逆时针(管脚向下)分别为2、3、4。通常的用法:一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。 有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单(主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可)，不需要复杂的配置电路。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。 有源晶振是用石英晶体组成的,石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应:在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形;在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)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”。 压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。 石英晶体振荡器的频率稳定度可达10^-9/日，甚至10^-11。例如10MHz的振荡器，频率在一日之内的变化一般不大于0.1Hz。因此，完全可以将晶体振荡器视为恒定的基准频率源(石英表、电子表中都是利用石英晶体来做计时的基准频率)。从PC诞生至现在，主板上一直都使用一颗14.318MHz的石英晶体振荡器作为基准频率源。 主板上除了这颗14.318MHz的晶振，还能找到一颗频率为32.768KHz的晶振，它被用于实时时钟(RTC)电路中，显示精确的时间和日期。 9 石英晶体振荡器 5.3.3 主要参数 1. 总频差:在规定的时间内,由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。 2. 频率温度稳定度:在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。 3. 开机特性(频率稳定预热时间):指开机后一段时间(如 5 分钟)的频率到开机后另一段时间(如1小时)的频率的变化率，表示了晶振达到稳定的速度。 在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间4. 频率老化率: 的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器元件的缓慢变化造成的。因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率(如?10ppb/天,加电72小时后)，或规定的时限内最大的总频率变化(如:? 1ppm/(第 一年)和?5ppm/(十年))来表示。 5. 短稳短期稳定度。 6. 频率压控范围:将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量 7. 率压控线性:与理想(直线)函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。 8. 单边带相位噪声,(f):偏离载波 f 处,一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。 5.3.4 方形有源晶振引脚分布 1、正方的，使用DIP-8封装，打点的是1脚。 1-NC; 4-GND; 5-Output; 8-VCC 2、长方的，使用DIP-14封装，打点的是1脚。 1-NC; 7-GND; 8-Output; 14-VCC 5.3.5 BTW 1、电源有两种，一种是TTL，只能用5V，一种是HC的，可以3.3V/5V 2、边沿有一个是尖角，三个圆角，尖角的是一脚，和打点一致。 Vcc out NC(点) GND 5.3.6 实际数据 测试样品为TOYOCOM的711SC 1.000M的输出频率，1脚悬空，2脚接地，3脚输出，4脚接+5V; 10 石英晶体振荡器 1.4V就开始起振，峰值电压1.64V，但是工作频率会有一定的偏差;3V时峰值电压3.24V，工作频率1.000M，输出频率准确;5V时峰值电压为5.6V，工作频率1.000M，输出频率准确。 5.4 无源晶振 5.4.1 无源晶振是有2个引脚的无极性元件 需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来 无源晶振需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。无源晶振没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶振可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶振相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电感、电阻等)，更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。使用时建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷晶体。 5.4.2 有源晶振和无源晶振的区别 无源晶振有2个引脚，需要借助于外部的时钟电路(接到主IC内部的震荡电路)才能产生振荡信号，自身无法振荡. 有源晶振有4个引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件.只需要电源,就可输出比较好的波形. 有源晶振只是将无源晶体和振荡电路做到一起 晶振行业内一般不以有源无源来分类晶振，一般是客户端工程师才这么叫。客户端工程师所说的晶振，其实是包括晶体(谐振器)和晶体振荡器(振荡器)的统称。 晶体是依靠石英晶体的天然振荡出频率，而晶振借助补偿电路及其它补偿功能实现更好的输出频率。 所以，如果单纯从有无接电路区别，可以简单地分为无源/有源晶振。 11 石英晶体振荡器 第六章 石英晶体振荡器的原理、类型及参数 6.1 石英晶体谐振器的基本原理 6.1.1石英晶体谐振器的结构 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(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谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料装的。下图6-1是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。 图6-1 金属外壳封装的石英晶体结构图 6.1.2 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。如图6-2(a)所示。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的多，这种现象称为压电谐振，如图6-2(b)所示，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。 12 石英晶体振荡器 图6-2 压电效应和谐振现象 6.1.3 符号和等效电路 -3所示。当晶体不振动时，可把它石英晶体谐振器的符号和等效电路如图6 看成一个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 ,0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它小，一般只有0.0002 的数值约为100Ω。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1000,10000。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。所以只是个符号。 6.1.4 谐振频率 从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即(一)当L、C、 )。串联谐振频率用fs表示，R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小(等于R 石英晶体对于串联谐振频率fs呈纯阻性，(二)当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C发生并联谐振，其并联频率用fd表示。 根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图6-3所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联谐振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs规范

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