石英晶體諧振器

石英晶體諧振器的寫法

石英晶體諧振器介紹

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)（對(duì)某些電介質(zhì)施加機(jī)械力而引起它們內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移,產(chǎn)生極化,從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷.在一定應(yīng)力范圍內(nèi),機(jī)械力與電荷呈線性可逆關(guān)系.）而制成的諧振元件.與半導(dǎo)體器件和阻容元件一起使用,便可構(gòu)成石英晶體振蕩器.

原理

石英晶體若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，晶振就是根據(jù)壓電效應(yīng)研制而成。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，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(guān)。

特點(diǎn)

石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會(huì)（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(bǔ)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(bǔ)償式晶體損振蕩（DCXO）等。普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)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(jí)，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(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10^(-7)～10^(-6)量級(jí)，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(shè)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(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中。

術(shù)語

1、標(biāo)稱頻率：晶體技術(shù)條件中規(guī)定的頻率，通常標(biāo)識(shí)在產(chǎn)品外殼上；2、工作頻率：晶體與工作電路共同產(chǎn)生的頻率；3、調(diào)整頻差：在規(guī)定條件下，基準(zhǔn)溫度（25±2℃）時(shí)工作頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率所允許的偏差；4、溫度頻差：在規(guī)定條件下，在工作溫度范圍內(nèi)相對(duì)于基準(zhǔn)溫度（25±2℃）時(shí)工作頻率的允許偏差；5、老化率：在規(guī)定條件下，晶體工作頻率隨時(shí)間而允許的相對(duì)變化。以年為時(shí)間單位衡量時(shí)稱為年老化率；6、靜電容：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容，也叫并電容，通常用C0表示。7、負(fù)載電容：與晶體一起決定負(fù)載諧振頻率fL的有效外界電容，通常用CL表示。負(fù)載電容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。只要可能就應(yīng)選推薦值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF；8、負(fù)載諧振頻率（fL）：在規(guī)定條件下，晶體與一負(fù)載電容相串聯(lián)或相并聯(lián)，其組合阻抗呈現(xiàn)為電阻性時(shí)的兩個(gè)頻率中的一個(gè)頻率。在串聯(lián)負(fù)載電容時(shí)，負(fù)載諧振頻率是兩個(gè)頻率中較低的一個(gè)，在并聯(lián)負(fù)載電容時(shí)，則是兩個(gè)頻率中較高的一個(gè)；9、動(dòng)態(tài)電阻：串聯(lián)諧振頻率下的等效電阻。用R1表示；10、負(fù)載諧振電阻：在負(fù)載諧振頻率時(shí)呈現(xiàn)的等效電阻。用RL表示?！L＝R1（1+C0/CL）211、激勵(lì)電平：晶體工作時(shí)所消耗功率的表征值。激勵(lì)電平可選值有：2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等12、基頻：在振動(dòng)模式階次的振動(dòng)頻率。13、泛音：晶體振動(dòng)的機(jī)械諧波。泛音頻率與基頻頻率之比接近整數(shù)倍但不是整數(shù)倍，這是它與電氣諧波的主要區(qū)別。泛音振動(dòng)有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。14、頻率準(zhǔn)確度：在規(guī)定條件下，晶振輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率的允許偏離值。常用其相對(duì)值表示。15、頻率穩(wěn)定度：15.1[時(shí)域表征]⑴在規(guī)定條件下，晶振內(nèi)部元件由于老化而引起的輸出頻率隨時(shí)間的漂移。通常用某一時(shí)間間隔內(nèi)的老化頻差的相對(duì)值來量度（如日、月或年老化率等）。⑵日穩(wěn)定度（或稱日波動(dòng)）：指晶振輸出頻率在24小時(shí)內(nèi)的變化情況。通常用其變化的相對(duì)值來表示。15.2[頻域表征]⑴單邊相位噪聲功率譜密度，晶振輸出信號(hào)的頻譜中，用偏離載頻fHz處每Hz帶寬內(nèi)單邊相位噪聲功率與信號(hào)功率之比的分貝（dB）量，可寫作￡（f）單位為dB/Hz。⑵頻譜純度：是量度晶振內(nèi)部噪聲及雜散譜的尺度。通常用單邊噪聲功率譜密度來表示。3、輸出波形：有正弦波和方波兩種。4、輸出幅度：在接入額定負(fù)載的規(guī)定條件下，晶振輸出的均方根值電壓。5、頻率溫度特性：當(dāng)環(huán)境溫度在規(guī)定范圍內(nèi)按預(yù)定方式變化時(shí)，晶振的輸出頻率產(chǎn)生的相對(duì)變化特性6、壓控線性度：指壓控晶振輸出頻率與壓控電壓曲線偏離線性的程度。

發(fā)展

1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)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(jīng)上市。2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無補(bǔ)償式晶體振蕩器總精度也能達(dá)到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達(dá)±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)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(gè)重要參數(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)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輸出頻率不超過200MHz。例如用于GSM等移動(dòng)電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為650～1700MHz，電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。4、低功能，快速啟動(dòng)，低電壓工作，低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢(shì)。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超過2mA。石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時(shí)間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMDTCXO，在振蕩啟動(dòng)4ms后則可達(dá)到額定值的90[%]。OAK公司的10～25MHz的OCXO產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達(dá)到±0.01ppm的穩(wěn)定度。