石英晶体振荡器

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电路特点：频率稳定度高，可达10-6-10-11量级。

一、石英晶体的基本特性及其等效电路

1．压电效应

石英晶体谐振器如图所示。它是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。

压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。如图1(a)所示。

压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的振荡频率。图1(b)所示。

2．符号和等效电路

符号如图2(a)所示。当晶体不振动时，可用静态电容CO来等效，一般约为几个皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般为10-3－10-2H；晶片的弹性可用电容C来等效，一般为10-2－10-1pF；晶片振动时的损耗用R来等效，阻值约为102欧姆。由可知，品质因数Q很大，可达104－106。加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。等效电路如图2(b)所示，它有两个谐振频率。

(1)当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为

由于C<<C0，因此fs和fp两个频率非常接近。

图2(c)为石英晶体谐振器的电抗-频率特性，在fs和fp之间为感性，在此区域之外为容性。

二、石英晶体振荡电路

2．串联型晶体振荡电路

如图4所示。晶体与电阻R串联构成正反馈电路。当振荡频率等于晶体的固有频率fs时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路满足自激振荡条件而振荡，其振荡频率为f0=fs。否则不能振荡。调节电阻R可获得良好的正弦波输出。

相关术语解释

1、频率准确度：在规定条件下，晶振输出频率相对于标称频率的允许偏离值。常用其相对值表示。

2、频率稳定度：　

1时域表征

⑴ 在规定条件下，晶振内部元件由于老化而引起的输出频率随时间的漂移。通常用某一时间间隔内的老化频差的相对值来量度（如日、月或年老化率等）。

⑵ 日稳定度（或称日波动）：指晶振的输出频率在24小时内的变化情况。通常用其最大变化的相对值来表示。

2频域表征

⑴ 单边相位噪声功率谱密度，晶振输出信号的频谱中，用偏离载频f Hz处每Hz带宽内单边相位噪声功率与信号功率之比的分贝（dB）量，可写作￡（f）单位为dB/Hz。

⑵ 频谱纯度：是量度晶振内部噪声及杂散谱的尺度。通常用单边噪声功率谱密度来表示。

3、输出波形：有正弦波和方波两种。

4、输出幅度：在接入额定负载的规定条件下，晶振输出的均方根值电压。

5、频率温度特性：当环境温度在规定范围内按预定方式变化时，晶振的输出频率产生的相对变化特性

6、压控线性度：指压控晶振输出频率与压控电压曲线偏离线性的程度。

应用指南

根据晶振的不同使用要求及特点，通常分为以下几类：普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。安装晶振时，应根据其引脚功能标识与应用电路应连接，避免电源引线与输出引脚相接输出。

在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量，交流电压应无瞬变过程。测试仪器应有足够的精度，连线合理布置，将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。

1、普通晶振（PXO）：是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。

2、温补晶振（TCXO）：是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络。补偿后频率稳定度在10-7~10-6量级，由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，因而获行了广泛应用。

3、 压控晶振（VCXO）：是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合

4、 恒温晶振（OCXO）：采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。中精度产品频率稳定度为10-7~10-8，高精度产品频率稳定度在10-9量级以上。主要用作频率源或标准信号