晶體振蕩器:電路元件-中文百科頻道

石英晶體

1. 外形、結構與圖形符号

在石英晶體上按一定方位切下薄片，将薄片兩端抛光并塗上導電的銀層，再從銀層上連出兩個電極并封裝起來，這樣構成的元件叫石英晶體諧振器，簡稱石英晶體。

2. 特性

石英晶體有兩個諧振頻率，即fs和fp，fp略大于fs。當加到石英晶體兩端信号的頻率不同時，它會呈現出不同的特性。

①當f=fs時，石英晶體呈阻性，相當于阻值小的電阻。

②當fs

③當f≥fp時，石英晶體呈容性，相當于電容。

基本介紹

壓電效應(物理特性)：在水晶片上施以機械應力時,，會産生電荷的偏移，即為壓水晶片的制程。

水晶的礦物名稱是石英。化學成份為二氧化矽（SiO2），純淨時形成無色透明的晶體，當含有微量雜質元素鋁、鐵等時，産生紫色、黃色、煙色等多種顔色。

石英是地球上存在最普通的礦物質，占在殼成份的58.2%，主要分布在岩石中，獨立存在的石英可形成單晶體、多晶體、隐晶體或非晶體，統稱晶石。水晶體呈六面柱錐形，其柱面有橫條生長紋。

人造水晶又稱“合成水晶”。水晶生長周期一般為40—60天。合成水晶的最大特色是有籽晶晶核，晶核一般為無色的長闆柱狀，與周圍合成晶界限清楚。

由于天然水晶含有大量雜質，純度太低，因此用來生産水晶片的水晶都是人工水晶，目前主要采用水熱合成法來制造人工水晶。

水熱法（hydrothermal process）是利用高溫高壓的水溶液使那些在大氣條件下不溶或難溶的的物質通過溶解或反應生成該物質的溶解産物，并使其呈過飽和态從而結晶生長的方法。

高壓釜（autoclave）是水熱法生長晶體的關鍵設備，為可承高溫高壓的鋼制釜體。水熱法采用的高壓釜一般可承受11000攝氏度的溫度和109MPa的壓力，具有可靠的密封系統和防爆裝置。

因為具潛在的爆炸危險，故又名“炸彈”（bomb）。由于内部要裝酸、堿性的強腐蝕性溶液，所以要求高壓釜的材料能耐腐蝕。有時還在高壓釜内裝有耐腐蝕的貴金屬内襯。

電路符号

晶振是電子電路中最常用的電子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z”表示，單位為Hz。

組成

晶振主要是由晶體和外圍元器件構成的。

工作原理

晶振具有壓電效應，即在晶片兩極外加電壓後晶體會産生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會産生電壓。如果給晶片加上适當的交變電壓，晶片就會産生諧振（諧振頻率與石英斜面傾角等有關系，且頻率一定）。晶振利用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體，在共振的狀态下工作可以提供穩定、精确的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。利用該特性，晶振可以提供較穩定的脈沖，廣泛應用于微芯片的時鐘電路裡。晶片多為石英半導體材料，外殼用金屬封裝。

晶振常與主闆、南橋、聲卡等電路連接使用。晶振可比喻為各闆卡的“心跳”發生器，如果主卡的“心跳”出現問題，必定會使其他各電路出現故障。

分類

1. 并聯型晶體振蕩器

并聯型晶體振蕩器。三極管VT與R1、R2、R3、R4構成放大電路；C3為交流旁路電容，對交流信号相當于短路；X1為石英晶體，在電路中相當于電感。從交流等效圖可以看出，該電路是一個電容三點式振蕩器，C1、C2、X1構成選頻電路，其選頻頻率主要由X1決定，頻率接近fp。

電路振蕩過程：接通電源後，三極管VT導通，有變化Ic電流流過VT，它包含着微弱的0～∞各種頻率的信号。這些信号加到C1、C2、X1構成的選頻電路，選頻電路從中選出f0信号，在X1、C1、C2兩端有f0信号電壓，取C2兩端的f0信号電壓反饋到VT的基-射極之間進行放大，放大後輸出信号又加到選頻電路，C1、C2兩端的信号電壓增大，C2兩端的電壓又送到VT基-射極，如此反複進行，VT輸出的信号越來越大，而VT放大電路的放大倍數逐漸減小，當放大電路的放大倍數與反饋電路的衰減系數相等時，輸出信号幅度保持穩定，不會再增大，該信号再送到其他的電路。

2. 串聯型晶體振蕩器

串聯型晶體振蕩器。該振蕩器采用了兩級放大電路，石英晶體X1除了構成反饋電路外，還具有選頻功能，其選頻頻率f0=fs，電位器RP1用來調節反饋信号的幅度。

（1）判斷反饋電路的類型

因為信号是反饋到VT1發射極，現假設VT1發射極電壓瞬時極性為“+”，集電極電壓極性為“+”（發射極與集電極是同相關系，當發射極電壓上升時集電極電壓也上升），VT2的基極電壓極性為“+”，發射極電壓極性也為“+”，該極性的電壓通過X1反饋到VT1的發射極，反饋電壓極性與假設的電壓極性相同，故該反饋為正反饋。

（2）電路的振蕩過程

接通電源後，三極管VT1、VT2導通，VT2發射極輸出變化的Ie電流中包含各種頻率的信号，石英晶體X1對其中的f0信号阻抗很小，f0信号經X1、RP1反饋到VT1的發射極，該信号經VT1放大後從集電極輸出，又加到VT2放大後從發射極輸出，然後又通過X1反饋到VT1放大，如此反複進行，VT2輸出的f0信号幅度越來越大，VT1、VT2組成的放大電路放大倍數越來越小，當放大倍數等于反饋衰減系數時，輸出f0信号幅度不再變化，電路輸出穩定的f0信号。

3.石英晶體振蕩器分為非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償式晶體振蕩器（TCXO）、電壓控制晶體振蕩器（VCXO）、恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）和數字化/μp補償式晶體振蕩器（DCXO/MCXO）等幾種類型。其中，非溫度補償式晶體振蕩器是最簡單的一種，在日本工業标準（JIS）中稱之為标準封裝晶體振蕩器（SPXO）。

① 恒溫控制式晶體振蕩器。恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定，将由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器。在OCXO中，有的隻将石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是将石英晶體振子和有關重要元器件置于恒溫槽中，還有的将石英晶體振子置于内部的恒溫槽中，而将振蕩電路置于外部的恒溫槽中進行溫度補償，實行雙重恒溫槽控制法。

利用比例控制的恒溫槽能把晶體的溫度穩定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移動通信基地站、國防、導航、頻率計數器、頻譜和網絡分析儀等設備、儀表中。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構成的差動串聯放大器來實現溫度控制的。具有自動增益控制（AGC）的（Clapp）振蕩電路，是目前獲得振蕩頻率高穩定度的比較理想的技術方案。近幾年中，OCXO的技術水平有了很大的提高。

② 溫度式補償晶體振蕩器。溫度式補償晶體振蕩器（TCXO）是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化産生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：

a.直接補償型。直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振蕩器中與石英晶體振子串聯而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯電容容值相應變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償電路簡單，成本較低，節省印制電路闆（PCB）尺寸和空間，适用于小型和低壓小電流場合。但當要求晶體振蕩器精度小于±1×10-6時，直接補償方式并不适合。

b.間接補償型。間接補償型又分模拟式和數字式兩種類型。模拟式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度-電壓變換電路，并将該電壓施加到一隻與晶體振子相串接的變容二極管上，通過晶體振子串聯電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進行補償。該補償方式能實現±0.5×10-6的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。

數字式間接溫度補償是在模拟式間接溫度補償電路中的溫度-電壓變換電路之後再加一級模/數（A/D）轉換器，将模拟量轉換成數字量。該法可實現自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩定度非常高，但具體的補償電路比較複雜，成本也較高，隻适用于基地站和廣播電台等要求高精度化的情況。

③ 普通晶體振蕩器。普通晶體振蕩器（SPXO）是一種簡單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振。它是一種完全由晶體自由振蕩完成工作的晶體振蕩器。這類晶振主要應用于穩定度要求不高的場合。

④ 電壓控制晶體振蕩器。電壓控制晶體振蕩器（VCXO），是通過施加外部控制電壓使振蕩頻率可變或是可以調制的石英晶體振蕩器。在典型的VCXO中，通常是通過調諧電壓改變變容二極管的電容量來“牽引”石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制範圍比較寬，實際的牽引度範圍約為±200×10-6甚至更大。如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶體振子所能實現的頻率還要高，可采用倍頻方案。擴展調諧範圍的另一個方法是将晶體振蕩器的輸出信号與VCXO的輸出信号混頻。與單一的振蕩器相比，這種外差式的兩個振蕩器信号調諧範圍有明顯擴展。