晶振工作原理.pdf

石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史， 但因其具有频率稳定度高这一特点， 故在电 子技术领域中一直占有重要的地位。尤其是信息技术（ IT ）产业的高速发展，更使这种晶体 振荡器焕发出勃勃生机。 石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、 移动电话系统、 全球定位 系统（ GPS ）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品 中，作为标准频率源或脉冲信号源， 提供频率基准， 是目前其它类型的振荡器所不能替代的。 小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化， 是移动电话和天线寻呼机 为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求。事实上石英晶体振荡器在发展过程中， 也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。 此类振荡器只有在技术上不断创新， 才能 延长其寿命周期，在竞争中占有优势。 二、石英晶体振荡器基本结构及工作原理 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 制晶体振荡器（ VCXO ）、恒温控制式晶体振荡器（ OCXO ）和数字化 / μp补偿式晶体振荡器 （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 工业标准 (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）封装及其等效电路如图 1 所示。 只要在晶体振子板极上施加交变电压， 就会使晶片产生机械变形振动， 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。在图 1 （c ）所示的晶体谐振器的等效电路中， Co 为晶片 (a) 石英晶体振于的结构 （b ）金属壳封装示图（ c ）等效电路 与金属板之间的静电电容； L 、C 为压电谐振的等效参量； R 为振动磨擦损耗的等效电 阻。石英晶体谐振器存在一个串联谐振频率 fos （1/2 π），同时也存在一个并联谐振频率 fop （1/2 π)。由于 ，fop 与 fos 之间之差值很小，并且 ， ，所以谐 振电路的品质因数 Q 非常高（可达数百万） ，从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定 度十分高，可达 10 －12/ 日。石英晶体振荡器的振荡频率既可近似工作于 fos 处，也可工作 在 fop 附近， 因此石英晶体振荡器可分串联型和并联型两种。 用石英晶体谐振器及其等效电 路，取代 LC 振荡器中构成谐振回路的电感（ L ）和电容（ C ）元件，则很容易理解晶体振 荡器的工作原理。 SPXO 的总精度（包括起始精度和随温度、电压及负载产生的变化）可以达到 ±25ppm