石英晶體振蕩器的前世今生

時間：2016-05-07

	文章源于:深圳市兆現(xiàn)電子有限公司 日期:2016年5月7日


	   石英晶體振蕩器是**和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據處理設備產生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號。


	     石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。


	


	      若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩較上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。


	


	    當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質因數(shù)Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得**，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。


	


	       從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即(1)當L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗較小(等于R)。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，(2)當頻率**fs時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。


	    根據石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線?？梢姰旑l率**串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率**并聯(lián)揩振頻率fd時，石英晶體呈容性。僅在fs


	      石英晶體振蕩器是由品質因素較高的石英晶體振子(即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。**電工**(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩(TCXO)，電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)，溫度補償式晶體振蕩(TCXO)，恒溫控制式晶體振蕩(OCXO)。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補償式晶體損振蕩(DCXO)等。


	    普通晶體振蕩器(SPXO)可產生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。


	


	     電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。


	


	     溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。


	


	      恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應用甚至達到較高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中較高。


	


	      晶振的主要參數(shù)有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯(lián)揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還**要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求，對于**設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據具體的設備需要而選擇合適的晶振，如通信網絡，無線數(shù)據傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要較高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質和性能。在實際應用中要根據具體要求選擇適當?shù)木д?，因不同性能的晶振其價格不同，要求越**格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。


	


	      1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動電話為代表的便攜式產品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經上市。


	


	 2、**與高穩(wěn)定度，目前無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內一般可達±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。


	


	3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數(shù)。目前OCXO主流產品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外，其它類型的晶體振蕩器較高輸出頻率不**過200MHz。例如用于GSM等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為650～1700 MHz，電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。


	


	4、低功能，**啟動，低電壓工作，低電平驅動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產品，電流損耗不**過2 mA。石英晶體振蕩器的**啟動技術也**突破性進展。例如日本精工生產的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產的SMD TCXO，在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO產品，在預熱5分鐘后，則能達到±0.01 ppm的穩(wěn)定度。

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文章轉載于http:///KDSCrystal/ ????????近些年尤其是電子產品的高速發(fā)展及電子產品生產商猶如雨后春筍般的崛起,使得電子信息產品的支柱——電子元器件行業(yè)也跟著高速發(fā)展起來,正所謂"一人得道,雞犬升天".然而好景不長,電子產品生產商的增加也造成了較為激烈的競爭環(huán)