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石英晶振内部电路分析说明
作者:小扬
日期:2017年10月23日 00:00
浏览量:1016
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/μp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,在日本工业标准(JIS)中,称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。简要介绍一下石英晶振的结构与工作原理。(详情可以查看YXC扬兴官网《石英晶振发展过程》)


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。


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。

 

一、水晶材料基本特性

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,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。
 

石英晶体谐振器结构图
 

 

石英晶体在压力作用下产生形变,同时产生电极化。其极化强度与压力成正比,这种现象就称"正压电效应".反之,在电场作用下,晶体产生形变,其形变大小与电场强度成正比,这种现象称"逆压电效应".(详情可以查看YXC扬兴官网《晶体的压电效应》
 

逆压电效应图
 

石英晶体的压电效用图:(a) 压电效应(b) 正压电效应(c) 逆压电效应

在二十多类具有压电效应的晶体中,石英晶体是无线通讯设备中最为满意的材料之一。它的机械强度高,物理化学性能稳定,内损耗低等,用它制成的器件被广泛用在频率控制和频率选择电路中。石英片的取向不同,其压电特性、弹性特性和强度特性就不同,用它来制造的谐振器的性能也不一样,现已发现了几十种有用的切割方式。

二、石英谐振器的稳频条件

石英晶振的频率稳定度与以下三方面有关:负载电容、激励电平和频率温度特性。
  

1 、负载电容。石英谐振器一般作为电感组件在振荡电路中起稳频作用,而电路的其它组件均可等效为一个负载电容与石英谐振器的等效参数及频率稳定度带来影响。
 

负载电容对频率的影响图
 

从石英晶振元件两脚向振荡电路方向看进去的所有有效电容,就是该振荡电路加给石英晶振的负载电容。负载电容同石英晶振共同决定电路的工作频率。通过调整负载电容,就可以将振荡电路的工作频率调整到标称值。负载电容选用要合理,电容太大时,杂散电容影响减小,但微调率下降; 容值太小时,微调率增加,但杂散电容影响增加、负载谐振电阻增加, 甚至起振困难。
  

2 、激励电平。一般取70 -100uA 为佳,用激励功率表示时,一般取1 -100uW 为佳。激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能,所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规定的激励电平下工作,以便充分发挥石英谐振器的特点。一般来讲,激励电平偏小对于长稳有利,激励电平稍大对于短稳有利。但是激励电平太大,石英片振动强,振动区域温度升高,石英片内产生温度梯度,会使频率稳定度降低;激励电平过大,由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移,使频率产生永久性的变化,甚至有时会把石英片振坏;激励电平过大,会使等效电阻增加,Q 值下降,电阻温度特性和频率温度特性变得不规则;激励电平过大,容易激起寄生振动,同时还会使老化变大。当然,激励电平过低也会使信噪比变小而影响短期稳定度,激励电平太低,谐振器不易起振,影响工作的稳定和可靠性。所以谐振器使用应根据不同的要求严格控制激励电平,更不能为了增大输出而随意提高激励电平。
  

3 、频率温度特性。
 

频率温度特性图   
 

三、石英振荡电路的组成与设计
  

石英振荡电路的形式很多,但基本电路只有两类:并联晶体振荡器和串联晶体振荡器。前者石英晶体是以并联谐振的形式出现,而后者则是以串联谐振的形式出现。石英振荡电路主要由IC、石英谐振器XTAL 、电阻、PCB 等组成,下面对各组成部分做简单说明:(详情可以查看YXC扬兴官网《晶振内部结构》)
  

1、IC:可根据实用的需要任意选用,如CMOS 反向器IC;专用振荡IC;大规模的数字IC 中自备石英振荡门。
  

2 、负载特性:振荡电路(除去CRYSTAL) ,具有一个负阻特性(用网络频谱分析仪) ,振荡电路负阻值(绝对值) 必须大于3 倍的CRTSTAL 电阻值( CRYS2TAL ESR/ RR) ,振荡电路才可以稳定的振荡。
  

3 、电容:可根据用户的需要选用片式或传统结构的产品,但是应注意选择适用于高频的、低损耗的,选用NP0 系列的温度系数产品。
  电阻:在选择尺寸的同时需注意功耗的满足。
  

4 、PCB :注意能满足高频的使用场合和注意尽量降低线路的分布参数,大面积接地和一点式接地方案的采纳。有必要的时候应注意EMI 的防护。
  

5 、石英谐振器XTAL :频率大于1MHz 的谐振器应选用ATMODE ,可根据用户的需要选择合适的外形尺寸和封装的晶体。主要电性指标: FL 、ESR 的CLOCK需要选用FL 及公差,并按Cg/ Cd 值,计算而得CL =
 

石英谐振器计算公式

 

(Cs :线路分布杂散电容)

  

6 、ESR :单位Ω,工作温度范围的频率公差。

  

正确的选取Cg/ Cd 的值将有利于振荡电路的工作稳定,并能使振荡频率满足使用的CL K 要求。其选取的步骤如下:
  

(1) 首先应该按照- R 的需要选择Cg/ Cd ,在满足TS 的情况下应尽量小些,保持较高的- R 以保证振荡的稳定性。当无法满足- R 要求时应考虑对IC 的特性重新评价、选择。
  

(2) Rf 值选取:取用的XTAL 为基本波的时候,Rf选用1MΩ;3RD 模式的XTAL 时须考虑截止频率必须界于基频与3RD 的中间以保证3RD 工作正常为原则,通常Rf 阻值在2 - 15KΩ 间。
 

  Rf 值选取

 

(3) 为了避免对XTAL 的过激励而影响电路的正常工作,建议采用Rr 以控制XTAL 的激励功率;其数值视频率高低可在33 - 68Ω间选取。
  

(4) 对于有EMI 要求的振荡电路设计中必须选取SEAM 焊封4PAD 的晶体谐振器,同时赋予合理接地方式,可满足EMI 防护的需求。
  

四、发展趋势
石英产品与其它的电子器件同样朝着轻薄短小演进。石英产品从1990 年开始朝着SMD 的方向发展,1998 年开始又向小型SMD 的方向发展,因此轻薄短小的竞争也就从此白热化起来。随着CPU 的运转速度的加快,石英谐振器和石英振荡器的高频化进程也在加快。在石英水晶的压电效应发展至今,将进入重要的频率控制组件发展的新纪元。

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