石英晶体.docx

1、石英晶体石英晶体石英简介石英的化学成分为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，摩氏硬度7，比重2.65。受压或受热能产生电效应。变种 石英因粒度、颜色、包裹体等的不同而有许多变种。无色透明的石英称为水晶，紫色水晶俗称紫晶，烟黄色、烟褐色至近黑色的俗称茶晶、烟晶或墨晶，玫瑰红色的俗称芙蓉石；

2、呈肾状、钟乳状的隐晶质石英称石髓，具不同颜色同心条带构造的晶腺叫玛瑙，玛瑙晶腺内部有明显可见的液态包裹体的俗称玛瑙水胆，细粒微晶组成的灰色至黑色隐晶质石英称燧石，俗称火石。 石英的用途很广。无裂隙、无缺陷的水晶单晶用作压电材料，来制造石英谐振器和滤波器。一般石英可以作为玻璃原料，紫色、粉色的石英和玛瑙还可作雕刻工艺美术的原料。 石英是最重要的造岩矿物之一，在火成岩、沉积岩、变质岩中均有广泛分布。巴西是世界著名的水晶出产国，曾发现直径2.5米、高5米、重达40余吨的水晶晶体石英晶体振荡器的特点石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统

3、中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。 一、石英晶体振荡器的基本原理 1、石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，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（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。下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。 2、压电效应 若在石英晶体的两个电极上加一电场，

4、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。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。 3、符号和等效电路 石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2所示。当晶体不振动时，可把它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

5、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的值很小，一般只有0.00020.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100。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100010000。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。 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（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（

6、等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）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2e所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fsffd极窄的范围内，石英晶体呈感性。 二、石英晶体振荡器类型特点 石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（TCXO

7、），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。 普通晶体振荡器（SPXO）可产生10(-5)10(-4)量级的频率精度，标准频率1100MHZ，频率稳定度是100ppm。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从21146mm及53.21.5mm。 电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10(-6)10(-5)量级，频率范围130MHz。低容差振荡器的频率稳定度是50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸14103mm。 温度补偿式晶体振荡器

8、（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10(-7)10(-6)量级，频率范围160MHz，频率稳定度为12.5ppm，封装尺寸从303015mm至11.49.63.9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。 恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10(-10)至10(-8)量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。 三、石英晶体振荡器的主要参数 晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。如常

9、用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz40.50 MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上，也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。频率精度和频率稳定度：由于

10、普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从10(-4)量级到10(-10)量级不等。稳定度从1到100ppm不等。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。 四、石英晶体振荡器的发展趋势 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

11、转变。例如TCXO这类器件的体积缩小了30100倍。采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前53mm尺寸的器件已经上市。 2、高精度与高稳定度，目前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107范围内一般可达20100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为0.00015ppm，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。目前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200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4

12、系列压控振荡器，其频率为6501700 MHz，电源电压2.23.3V，工作电流810mA。 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。目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2 mA。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VG2320SC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SMD TCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的1025 MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到0.01 ppm的稳定度。 五、石英晶体振荡器的应用 1

13、、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。石英晶体振荡器原理的示意如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。一般Q、C1及C2均为外接元件。另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。但此时我们仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：若走时偏快，则

14、可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。如图5所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。因此，晶振可用于时钟信号发生器。 2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503 kHz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、

15、高速数字数据传输等。1. 频率长期稳定度高不加恒温装置也可以达到1.0*10(-5)； 2.品质因数Q大，所以频带很窄； 3.对温度敏感度比LC振荡器小，而且有温度系数为0的温度拐点，可以采用恒温装置控制。石英震荡器的原理一、 引言 尽管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

16、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/p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

17、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

18、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），同时也存在一个并联谐振频率fop（1/2)。由于Co C，fop与fos之间之差值很小，并且R OL，R 1/OC，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1012/日。石英晶体振荡器的振荡频率既可近似

19、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。SPXO既无温度补偿也无温度控制措施，其频率温度特性几乎完全由石英晶体振子的频率温度特性所决定。在070范围内，SPXO的频率稳定度通常为201000ppm，SPXO可以用作钟频振荡器。 三、温度补偿晶体振荡器（TCXO） 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

20、器。 1 TCXO的温度补偿方式 目前在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

21、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。 2.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，日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用T

22、CXO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280MHz，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0.290MHz，频率稳定度为0.1ppm（3085）。日本东泽通信机生产的TCO935/937型片式直接温补型TCXO，频率温度特性（点频15.36MHz）为1ppm/2070，在5V5的

23、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5585范围内能达到0.251ppm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（3240MHz）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

24、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0.5106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.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 （a） (b) 图2移动通信机电路框图及其TCXO外观 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。 图2（a）为移动通信机射频（RF）电路框图。TCX

25、O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0.12.5ppm（3075），但出于成本上的考虑，通常选用的规格为1.52.5ppm。移动电话用1220MHz的TCXO代表性产品之一是VCTCXO201C1，采用直接补偿方式，外观如图2（b）所示，由日本金石（KSS）公司生产。 四、电压控制晶体振荡器（VCXO） 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

26、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VG2320SC。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12.6mm7.6mm1.9mm，体积为0.19 。其标准频率为1220MHz，电源电压为3.0

27、0.3V，工作电流不大于2mA，在2075范围内的频率稳定度1.5ppm，频率可变范围是2035ppm，启动振荡时间小于4ms。金石集团生产的VCXO，频率覆盖范围为10360MHz，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TCO947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/3075，频率电压特性0.3ppm/5V5，老化特性1ppm/年，内部采用SMD/SMC，并采

28、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DFVS1KH/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32120MHz、155MHz、240MHz和150MHz，牵引度从25ppm到150ppm不等。MF电子公司生产的TVCXO系列产品尺寸为5mm7mm，曾被业内认为是外形尺寸最小的产品，但这个小型

29、化的记录很快被打破。目前新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm4.8mm，并且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司生产的VX8000系 图3压控SAW振荡器内部结构 图4OCXO内部结构示图 列表面贴装VCXO，采用引线封装时高度为0.185英寸，采用扁平封装时仅为0.15英寸，工作频率可在1160MHz内选择，标准频率调整范围为100ppm，线性度优于10，稳定度优于25ppm/070，老化率为2ppm/年，输出负载达10个LSTTL（单价达10美元以上）。 于1998年7月上市的单价2000日元的UCV4系列压控振荡器（VCO），面向全球移动通信系统（GSM）和个人数字蜂窝

30、电话（PDC），可用频率范围为6501700MHz，电源电压为2.23.3V，尺寸仅为4.8mm5.5mm1.9mm，体积为0.05 ，重量0.12g。 日本精工爱普生公司利用ST切型晶片制作的声表面波（SAW）谐振器（Q2000），型号为FS555，用4.8mm5.2mm1.5mm陶瓷容器包封，振荡频率范围达250500MHz，频率初始偏差为25100ppm，在2060范围内的频率稳定度是27ppm，老化率为10ppm/年。利用FS555组成的压控SAW振荡器内部结构如图3所示。欲扩大频率调节范围，可加大串联电感Lo的电感量。由于SAW谐振器的频率可达2GHz以上，为压控SAW振荡器（VCS

31、O）的高频化提供了一条重要途径。 五、恒温控制晶体振荡器（OCXO） CXO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1109。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）的（C1app）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。 在近几年中，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A