石英晶體的應(yīng)用

1、石英晶體的應(yīng)用一.石英晶體元器件的分類和相關(guān)術(shù)語石英晶體元器件一般分為三大類，即石英晶體諧振器，石英晶體振蕩器和石英晶體濾波器。 11 石英晶體諧振器相關(guān)的術(shù)語標(biāo)稱頻率晶體元件規(guī)范指定的頻率串聯(lián)諧振頻率(Fs)等效電路中串聯(lián)電路的諧振頻率并聯(lián)諧振頻率(Fp)等效電路中并聯(lián)電路的諧振頻率負(fù)載頻率(FL)晶體帶負(fù)載時(shí)的頻率負(fù)載電容(CL)與諧振器聯(lián)合決定工作頻率的有效外界電容靜電容(C0)等效電路中與串聯(lián)臂并聯(lián)的電容動電容(C1)等效電路中串聯(lián)臂中的電容動態(tài)電感(L1)等效電路中串聯(lián)臂中的電感動態(tài)電阻(R1)等效電路中串聯(lián)臂中的電阻頻率精度工作頻率與標(biāo)稱頻率的偏差等效電阻(ESR)諧振器與規(guī)定的負(fù)

2、載電容串聯(lián)的總阻抗頻率溫度特性頻率隨溫度變化的特性室溫頻率偏差諧振器在室溫下頻率的偏差頻率/負(fù)載牽引系數(shù)(Ts)負(fù)載電容對頻率影響的能力老化率晶體頻率隨時(shí)間的漂移Q值晶體的品質(zhì)因數(shù)激勵功率（電平）諧振器工作時(shí)消耗的功率激勵功率依賴性(DLD)諧振器在不同激勵功率下參數(shù)的特性溫度頻率偏差頻率隨溫度變化與標(biāo)稱頻率的偏差工作溫度范圍諧振器規(guī)定的工作溫度范圍泛音晶體的機(jī)械諧波寄生響應(yīng)晶體除主響應(yīng)(主頻率)外的其他頻率的響應(yīng) 12 石英晶體振蕩器 石英晶體振蕩器是目前精確度和穩(wěn)定度最高的振蕩器。石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的諧振器（石英晶體振子）和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子結(jié)構(gòu)及電路

3、形式等因素共同決定了振蕩器的性能。相關(guān)術(shù)語標(biāo)稱頻率晶體元件規(guī)范指定的頻率頻率溫度特性振蕩頻率隨溫度變化而改變的特性長期頻率穩(wěn)定度振蕩器長時(shí)間工作頻率的穩(wěn)定性短期頻率穩(wěn)定度振蕩器短時(shí)間工作頻率的穩(wěn)定性溫度頻率偏差振蕩頻率隨溫度的偏差室溫頻率偏差在室溫時(shí)振蕩頻率的偏差起振時(shí)間振蕩輸出達(dá)到規(guī)定值的時(shí)間上升時(shí)間(方波輸出）方波輸出時(shí)波形從10%到90%所需的時(shí)間下降時(shí)間(方波輸出）方波輸出時(shí)波形從90%到10%所需的時(shí)間占空比(方波輸出)方波輸出時(shí)正脈沖寬度占周期的百分比頻率精度振蕩頻率相對標(biāo)稱頻率的精確程度消耗電流振蕩器工作時(shí)消耗的電流相位噪聲信號中相位的隨機(jī)變化量最大電壓（方波輸出）振蕩器輸出電壓

4、最大值最小電壓（方波輸出）振蕩器輸出電壓最小值基準(zhǔn)溫度初始精度振蕩器在規(guī)定基準(zhǔn)溫度下的振蕩頻率的精度頻率電壓允差根據(jù)輸入電壓的最大，最小和標(biāo)稱值來確定頻率負(fù)載允差根據(jù)負(fù)載的最大，最小和標(biāo)稱負(fù)載來確定諧波與副諧波失真諧波和 副諧波響應(yīng)的程度雜波響應(yīng)規(guī)定帶寬內(nèi)與雜波輸出有關(guān)的非諧波響應(yīng)耐過壓能力振蕩器經(jīng)受120規(guī)定電源電壓的最大的過壓能力峰-峰值（Vpp）輸出電壓最大與最小的差值負(fù)性阻抗晶體串聯(lián)電阻,使振蕩器從振到不振時(shí)的阻值當(dāng)前石英晶體振蕩器的發(fā)展，不僅表現(xiàn)在系列品種的增加和市場需求量的增長方面，而且體現(xiàn)在產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新上。技術(shù)方面主要有以下幾點(diǎn)： a小型化、薄型化和片式化 為滿足以移動電話為代表

5、的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼向覆塑料金屬和陶瓷封裝轉(zhuǎn)變，近年來TCXO器件平均縮小了30多倍，有的近100倍。采用SMD封裝的TCXO的厚度不足2mm，53mm尺寸的器件已經(jīng)上市。在幾種主要類型的石英晶體振蕩器中，TCXO的體積縮小最明顯，其次是VCXO。石英晶體振蕩器體積的進(jìn)一步縮小，使得晶體振子的頻率可變范圍變小，并使溫度補(bǔ)償困難化。同時(shí)，片式封裝的回流焊作業(yè)至少要在240下一直持續(xù)約10秒鐘，如不采取局部散熱措施，很難使石英晶體振子的頻率偏移量控制在05106范圍內(nèi)，需要說明的是：此類器件遠(yuǎn)未進(jìn)入微型化的極限，體積的進(jìn)一步縮小仍有一定的余量。

6、b高精度與高穩(wěn)定化 移動通信技術(shù)的發(fā)展之所以能使石英晶體振蕩器煥發(fā)出勃勃生機(jī)，關(guān)鍵在于其具有很高的頻率精度和穩(wěn)定度，目前即使是無補(bǔ)償式的晶體振蕩器，其總精度也能達(dá)到25ppm。在TCXO、VCXO和OCXO三種類型的器件中，OCXO的頻率穩(wěn)定度最高，而VCXO的頻率穩(wěn)定度則相對稍許遜色一些。 在070范圍內(nèi)，VCXO的頻率穩(wěn)定度一般為20100ppm，而OCXO在這一溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度一般為000015ppm。VCXO主流產(chǎn)品的頻率穩(wěn)定度大多控制在25ppm以下，頻率調(diào)整范圍可達(dá)25100ppm，老化率低于2ppm年。目前，OCXO產(chǎn)品的一般水平是：頻率穩(wěn)定度在0001ppm（2060），

7、年老化率低于005ppm。雖然OCXO體積較大，但在精密頻率計(jì)數(shù)器、頻譜及網(wǎng)絡(luò)分析儀、基站及導(dǎo)航等領(lǐng)域中仍被廣泛應(yīng)用。 c低噪聲，高頻化 在全球定位系統(tǒng)（GPS）中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲則是表征振蕩器頻率顫抖的一個(gè)重要參數(shù)。對OCXO器件來說，GPS系統(tǒng)往往要求其具有較高的抑制相位噪聲的能力。這使得OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有了很大改善。目前除VCXO外，其它類型的晶體振蕩器的最高輸出頻率一般不過200MHz。目前，提高VCXO振蕩頻率主要依靠石英晶體SAW諧振器、變?nèi)荻O管、串聯(lián)電感器及放大器組成的壓控SAW振蕩器（VCSO）來完成。在GSM和PDC等移動電話所有的振蕩器中，頻率較

8、高的是UCV4系列壓控振蕩器（VCO），其頻率蕩圍為6501700MHz，電源電壓為2233V，工作電流為810mA。 d低功耗，啟動快 不同類型的石英晶體振蕩器的工作電壓不同，但應(yīng)盡可能的采用33V的電源電壓。低電平動和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢，目前很多TCXO和VCXO產(chǎn)品的電流損耗不超過2mA。 石英晶體振蕩器在快速啟動技術(shù)方面也取得了突破性進(jìn)展。公司生產(chǎn)的VCXO石英晶體振蕩器在01ppm規(guī)定值范圍內(nèi)，其頻率穩(wěn)定時(shí)間小于4 ms。在1ms以內(nèi)輸出振蕩信號的振幅可達(dá)到額定值的90。有些TCXO，在振蕩啟動4ms后，其幅值可達(dá)到額定值的90。OCXO等產(chǎn)品則可在5分種的預(yù)熱時(shí)間內(nèi)達(dá)到001

9、ppm的穩(wěn)定度。 此外，目前絕大多數(shù)石英晶體振蕩器的輸出邏輯與TTL、高速CMOS（HCMOS）或TTLHCMOS兼容，因而提高了器件的適應(yīng)性和設(shè)計(jì)的靈活性。(ECL/PECL高速接口方面知識有供參考資料) 應(yīng)用指南 根據(jù)晶振的不同使用要求及特點(diǎn)，通常分為以下幾類：普通晶振、溫補(bǔ)晶振、壓控晶振、溫控晶振等。安裝晶振時(shí)，應(yīng)根據(jù)其引腳功能標(biāo)識與應(yīng)用電路應(yīng)連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。 在測試和使用時(shí)所供直流電源應(yīng)沒有足以影響其準(zhǔn)確度的紋波含量，交流電壓應(yīng)無瞬變過程。測試儀器應(yīng)有足夠的精度，連線合理布置，將測試及外圍電路對晶振指標(biāo)的影響降至最低。 1.2.1、 普通晶振（PXO）：是一種沒有

10、采取溫度補(bǔ)償措施的晶體振蕩器，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，晶振的頻率穩(wěn)定度取決于其內(nèi)部所用晶體的性能，頻率穩(wěn)定度在10-5量級，一般用于普通場所作為本振源或中間信號，是晶振中最廉價(jià)的產(chǎn)品。 1.2.2、 溫補(bǔ)晶振（TCXO）：是在晶振內(nèi)部采取了對晶體頻率溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到在寬溫溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。一般模擬式溫補(bǔ)晶振采用熱敏補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)償后頻率穩(wěn)定度在10-710-6量級，由于其良好的開機(jī)特性、優(yōu)越的性能價(jià)格比及功耗低、體積小、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，因而獲行了廣泛應(yīng)用。 1.2.3、 壓控晶振（VCXO）：是一種可通過調(diào)整外加電壓使晶振輸出頻率隨之改變的晶體振蕩器，主要用于鎖

11、相環(huán)路或頻率微調(diào)。壓控晶振的頻率控制范圍及線性度主要取決于電路所用變?nèi)荻O管及晶體參數(shù)兩者的組合。 1.2.4、 恒溫晶振（OCXO）：采用精密控溫，使電路元件及晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)的溫度上。中精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度為10-710-8，高精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度在10-9量級以上。主要用作頻率源或標(biāo)準(zhǔn)信號源13 石英晶體濾波器單片晶體濾波器（MCF）是在石英基片表面配置若干金屬電極而構(gòu)成的帶通和帶阻濾波器。它利用壓電效應(yīng)的能陷理論來選擇電極振子的幾何尺寸、返回頻率和電極振子間矩，以控制超聲波的聲學(xué)耦合，從而達(dá)到濾波的目的。其特點(diǎn)是頻率選擇度十分陡峭、損耗低、穩(wěn)定性好、阻帶衰減高，現(xiàn)已在移動通信設(shè)

12、備中大量使用，是必不可少的初級中頻濾波器，對提高整機(jī)靈敏度和抗干擾能力具有重要作用。國外MCF產(chǎn)品實(shí)用化水平為：中心頻率為幾MHz150MHz，帶寬000101，頻道間隔12525kHz，最小封裝尺寸為8832mm，重量為04g。 MCF目前的發(fā)展方向集中在開發(fā)新型壓電材料、擴(kuò)展帶寬、減少帶內(nèi)延時(shí)波動、增大帶外衰減、擴(kuò)充和提高中頻點(diǎn)和線性度并使封裝尺寸進(jìn)一步小型化和片式化。相關(guān)術(shù)語1.3.1、 插入損耗：直接傳送給負(fù)載阻抗的功率（P0）和插入濾波器后傳送給負(fù)載阻抗的功率（P1）之比的對數(shù)值。通常用分貝（dB）為單位進(jìn)行度量，表示為10 lg （P0/ P1）。 1.3.2、 通帶波動：通帶內(nèi)衰

13、耗的最大峰值與最小谷值之差。 1.3.3、 通帶寬度；指相對衰耗小于和等于某一規(guī)定值時(shí)的頻率寬度（如1dB、2dB、3dB、6dB等） 1.3.4、 阻帶衰耗：指整個(gè)阻帶內(nèi)的最小衰耗值。 1.3.5、 阻帶寬度：相對衰耗等于和大于某規(guī)定值時(shí)的頻帶寬度（如40dB、50dB、60dB、80dB等）。 1.3.6、 匹配阻抗：濾波器技術(shù)條件中要求的端接匹配阻抗值。性能優(yōu)良的濾波器在與其端接的電路阻抗不匹配時(shí)，濾波特性會變差，引起通帶波動增大，插損增加。當(dāng)外電路阻抗低于濾波器特性阻抗時(shí)，中心頻率將下移，反之上移。 應(yīng)用指南 石英晶體濾波器根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為集成式單片濾波器和分離式濾波器。 集成式濾波

14、器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低，但其帶寬和頻率受到限制，分離式濾波器則可以彌補(bǔ)集成式濾波器的不足，使可實(shí)現(xiàn)的頻率和帶寬得以拓展。 數(shù)字通訊技術(shù)的發(fā)展，對晶體濾波器的群延時(shí)特性及互調(diào)失真指標(biāo)提出要求，而分離式濾波器能夠較容易解決。 二.石英晶體元器件的應(yīng)用領(lǐng)域石英晶體元器件主要用于通信、計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、鐘表、音像制品、其它家用電器、電子玩具、醫(yī)用電子設(shè)備、汽車電子、廣播電視設(shè)備以及儀器儀表等各個(gè)方面。 21 通信 石英晶體元器件可大量用于電話終端機(jī)、程控交換機(jī)、移動電話、無線電話、傳呼機(jī)、傳真機(jī)、無線通信、微波通信、衛(wèi)星通信、通信海纜工程和通信地纜工程。近幾年來移動通信作為中國信息產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)

15、得到了高速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1993年中國的移動電話用戶為1300萬戶，到1998年底已發(fā)展到2498萬戶，2000年已達(dá)到5000萬以上，2001年，中國的移動電話用戶將達(dá)到2億。而每部電話需要三種石英晶體產(chǎn)品，即溫度晶振、石英晶體元件及單片晶體濾波器，因此石英晶體元器件的微型化和片式化將大大促進(jìn)單機(jī)的小型化發(fā)展。目前中國蜂窩移動通信市場大部分被外國公司占領(lǐng)，而這些外國公司的基礎(chǔ)元器件也都是從外國直接采購的，其整機(jī)的國產(chǎn)化率比較低，國家每年要花費(fèi)大量的外匯從國外進(jìn)口基礎(chǔ)晶體元器件。 22 計(jì)算機(jī) 石英晶體元器件可大量用于各類大中型計(jì)算機(jī)，尤其在微機(jī)及其周邊設(shè)備中用量更大。一臺多媒體微機(jī)大約使用1

16、0只晶體元器件。在打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀中都要用到晶體元器件。 23 鐘表 石英晶體元器件進(jìn)入鐘表導(dǎo)致了鐘表業(yè)的一次革命，它使時(shí)鐘精度提高了幾十倍，而又使價(jià)格和成本大幅度下降，從而使鐘表業(yè)得到空前普及和發(fā)展。 24 家用電器 石英晶體元件在彩色電視接收機(jī)上的主要用途是用于副載頻恢復(fù)振蕩器、計(jì)時(shí)、制式轉(zhuǎn)換和遙控。在音像制品方面主要用于錄像機(jī)、攝像機(jī)、VCD、DVD、CD、數(shù)字像機(jī)和數(shù)字收音機(jī)等。其它家用電器如電冰箱、微波爐、電飯鍋、洗衣機(jī)、空調(diào)等都使用晶體計(jì)時(shí)。另外，石英晶體元器件還可用于電子玩具：如電子游戲機(jī)、對講機(jī)、遙控器等。 25 汽車電子 在汽車電子方面，石英晶體元器件主要用于汽車導(dǎo)

17、向、功能控制、電子地圖、電子定位儀和汽車音響系統(tǒng)。 26醫(yī)用電子儀器 在心臟起搏器、CT機(jī)、核磁共振儀、血壓計(jì)等醫(yī)用電子儀器儀表中，也要大量使用石英晶體元器件。 27其它 石英晶體具有很高的頻率穩(wěn)定性，同時(shí)對溫度和力也很敏感，采用石英晶體的測溫計(jì)的溫度分辯率可達(dá)到百分之一攝氏度。由于石英晶體對力的敏感更為特殊，因此，采用石英晶體的力學(xué)測量儀器既可以監(jiān)測地殼的巨大應(yīng)力，又可測出室內(nèi)煙塵微粒的重量下面是不同電子產(chǎn)品中使用的典型頻率點(diǎn)a彩色電視機(jī)中彩色副載波恢復(fù)振蕩器用晶體的標(biāo)稱頻率有4.43MHZ（PAL制）、3.58MJHZ（NTSC制）和8.86MHZ（TDA3560、TDA3565等集成電路

18、用）等。遙控發(fā)射器中使用的晶體的標(biāo)稱頻率有455kHZ、480 kHZ、429MHZ、500 MHZ和560 MHZ等。行振蕩用晶體的標(biāo)稱頻率一般為503.5kHZ。 c錄像機(jī)用晶體錄像機(jī)上使用晶體的標(biāo)稱頻率有32 kHZ、3.58MHZ、4MHZ、4.13MHZ、4.43MHZ等幾種規(guī)格。 d.影碟機(jī)用晶體VCD、DVD等影碟機(jī)上使用的晶體，標(biāo)稱頻率有3.579545MHZ、4.19MHZ、4.236MHZ、4.43MHZ、8MHZ、8.4672MHZ、12MHZ、14.31818MHZ、16.9344MHZ、17.7344MHZ、40.5MHZ等多種規(guī)格。 e移動通信用晶體移動通信設(shè)備（例

19、如對講機(jī)、移動電話、無繩電話等）上使用的晶體，標(biāo)稱的頻率范圍有2.43MHZ、34MHZ、33.2MHZ、3.23.5MHZ、3.53.9MHZ、3.94MHZ、44.1MHZ、45MHZ、57MHZ、710MHZ、39MHZ、1015MHZ、925MHZ、1030MHZ、2575MHZ、3070MHZ、75125MHZ、125MHZ、1.825MHZ、325MHZ、2550MHZ等多種規(guī)格。f電話機(jī)、汽車電子器材中常用晶體標(biāo)稱頻率有2.712MHZ、3.579MHZ、4.19MHZ、4.986MHZ、7.372MHZ和10MHZ等多種規(guī)格。g測溫晶體振蕩器常用的晶體標(biāo)稱頻率有1MHZ、2MH

20、Z、2.5MHZ、3MHZ、5MHZ、10MHZ等幾種規(guī)格。 h恒溫晶體振蕩器中常用的晶體標(biāo)稱頻率有:1MHZ、5MHZ、10MHZ、20MHZ、25MHZ、50MHz等多種規(guī)格。三.石英晶體諧振器在線路中的具體應(yīng)用3.1石英晶體諧振器特性石英晶片所以能作為振蕩元件，是由于在一定條件下會產(chǎn)生壓電效應(yīng)：若極板間加上交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時(shí)這種機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時(shí)，晶片產(chǎn)生的振動和電場強(qiáng)度最大，其稱為壓電諧振。因此，石英晶體又稱為石英晶體諧振器，其壓電諧振類似于LC回路的諧振，其電路符號、等效電路及電抗特性如圖1所示。上圖中，C0表示晶片

21、與涂敷銀層構(gòu)成的靜電容，約幾幾十pF。L是晶體振蕩時(shí)機(jī)械振動慣性的等效電感，約10-3102H。C是晶體諧振時(shí)晶片彈性的等效電容，約10-210-1pF。R用于等效晶片振動時(shí)的磨擦損耗，約100。因此，回路Q值很高，常超過104。當(dāng)忽略損耗等效電阻R時(shí)，等效電路的總電抗為其電抗特性如圖7-4-2(c)所示。由上式和圖(c)可知：當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，等效阻抗最小。X0，可解得回路串聯(lián)諧振頻率為 這是石英晶體真正的諧振頻率，其頻率穩(wěn)定度最高。 當(dāng)頻率高于fs時(shí)，L、C、R支路呈現(xiàn)為電感性，它與電容發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，等效阻抗最大，X，（7-4-1）式中分母為零，可解得回路的并聯(lián)諧振頻率為由

22、于CC0，故fp與fs非常接近?？偨Y(jié)：石英晶體當(dāng)f = fs時(shí)，發(fā)生串聯(lián)諧振，相當(dāng)于阻值很小的純阻元件；當(dāng)f = fp時(shí)，發(fā)生并聯(lián)諧振，相當(dāng)于阻值趨于無窮大的純阻元件；當(dāng)fs ffp時(shí)，相當(dāng)于高Q值的電感元件；當(dāng)f fp時(shí)，相當(dāng)于高Q值的電容元件。3.2. 石英晶體振蕩器的基本振蕩形式3.2.1.串聯(lián)型晶體振蕩電路利用晶體工作在fs 時(shí)產(chǎn)生串聯(lián)諧振的阻抗特性來構(gòu)成振蕩電路，如圖3所示，其中Cs為晶體的負(fù)載電容。根據(jù)晶體的等效電路，并考慮CC0 =Cs，可得晶體新的串聯(lián)諧振頻率為顯然當(dāng)CsC0時(shí)，fsfs。在圖2所示振蕩電路中，當(dāng)振蕩頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率(指fs，下同)時(shí)，晶體呈阻值很小的純電阻，應(yīng)用瞬時(shí)極性法可判定電路滿足振蕩的相位平衡條件，此時(shí)的正反饋?zhàn)顝?qiáng)，易滿足振幅的起振條件，電路將振蕩在這晶體的串聯(lián)諧振頻率上圖3 5MHz串聯(lián)型晶體振蕩電路 (a)原理電路； (b)交流通路 圖3所示是振蕩頻率為5M