[科普中國]-石英晶體諧振器

石英晶體諧振器（英文：quartz crystal unit或quartz crystal resonator，常簡寫成Xtal），簡稱石英晶體或晶振，是利用石英晶體（又稱水晶）的壓電效應，用來產生高精度振蕩頻率的一種電子元件，屬于被動元件。該元件主要由石英晶片、基座、外殼、銀膠、銀等成分組成。根據引線狀況可分為直插（有引線）與表面貼裝（無引線）兩種類型。當前常見的主要封裝型號有HC-49U、HC-49/S、GLASS、UM-1、UM-4、UM-5與SMD。

基本概念

壓電效應：

對某些電介質施加機械力而引起它們內部正負電荷中心相對位移，產生極化，從而導致介質兩端表面內出現符號相反的束縛電荷.在一定應力范圍內，機械力與電荷呈線性可逆關系.這種現象稱為壓電效應.

作用：提供系統振蕩脈沖，穩(wěn)定頻率，選擇頻率.

參數a. 標稱頻率：在規(guī)定條件下，晶振的諧振中心頻率.

b. 調整頻差：在規(guī)定條件下，基準溫度時的工作頻率相對標稱頻率的最大偏離值.(ppm)

c. 溫度頻差：在規(guī)定條件下，在整個工作溫度范圍內，相對于基準溫度時工作頻率的允許偏離值.

d. 負載諧振電阻：晶振與指定外部電容相串聯，在負載諧振頻率時的電阻值.

e. 負載電容： 是指與晶振一起決定負載諧振頻率的有效外界電容.常用標準值有：12pF 、 16pF 、 20pF 、 30pF.

分類首先說一下石英晶振諧振器。諧振器一般分為插件(Dip)和貼片（SMD）插件中又分為HC-49U、HC-49S、HC-49SS、音叉型（柱狀晶振）。HC-49U一般稱49U，有些采購俗稱"高型"，而HC-49S一般稱49S，俗稱"矮型"，HC-49SS一般稱49SS，俗稱（超矮型，通常是2.5mm封裝高度），音叉型按照體積分可以分為3*9、3*8、2*6、、1*5、、1*4等等。貼片型是按大小和腳位來分類。例如7*5(0705）、6*3.5(0603）、5*3.2（5032）等等。腳位有4pin和2pin之分。而振蕩器也可以分為插件和貼片。插件可以按大小和腳位來分。例如所謂全尺寸的，又稱長方形或者14pin，半尺寸的又稱正方形或者8pin。不過要注意的是，這里的14pin和8pin都是指振蕩器內部核心IC的腳位數。振蕩器本身是4pin。而從不同的應用層面來分，又可分為OSC（普通鐘振）、TCXO（溫補鐘振）、VCXO（壓控鐘振）、OCXO（恒溫鐘振）等等。1

泛音上圖顯示了石英諧振器的模態(tài)譜，包括基模，三階泛音，5 階泛音和一些亂真信號響應，即寄生模。在振蕩器應用上，振蕩器總是選擇最強的模式工作。一些干擾模式有急劇升降的頻率—溫度特性。有時候，當溫度發(fā)生改變，在一定溫度下，寄生模的頻率與振蕩頻率一致，這導致了“活動性下降”。在活動性下降時，寄生模的激勵引起諧振器的額外能量的消耗，導致Q 值的減小，等效串聯電阻增大及振蕩器頻率的改變。當阻抗增加到相當大的時候，振蕩器就會停止，即振蕩器失效。當溫度改變遠離活動性下降的溫度時，振蕩器又會重新工作。寄生模能有適當的設計和封裝方法控制。不斷修正電極與晶片的尺寸關系（即應用能陷原則），并保持晶片主平面平行，這樣就能把寄生模最小化。

指標標稱頻率：振蕩器輸出的中心頻率或頻率的標稱值。

頻率準確度：振蕩器輸出頻率在室溫（25℃±2℃）下相對于標稱頻率的偏差。

調整頻差：在指定溫度范圍內振蕩器輸出頻率相對于25℃時測量值的最大允許頻率偏差。

負載諧振頻率（fL）：在規(guī)定條件下，晶體與一負載電容相串聯或相并聯，其組合阻抗呈現為電阻性時（產生諧振）的兩個頻率中的一個頻率。在串聯負載電容時，負載諧振頻率是兩個頻率中較低的一個，在并聯負載電容時，則是兩個頻率中較高的一個。

靜電容：等效電路中與串聯臂并接的電容，也叫并電容，通常用C0表示。

工作溫度范圍：能夠保證振蕩器輸出頻率及其化各種特性符合指標的溫度范圍。

頻率溫度穩(wěn)定度：在標稱電源和負載下，工作在規(guī)定溫度范圍內的不帶隱含基準溫度或帶隱含基準溫度的最大允許頻偏。

ft=±（fmax-fmin)/(fmax+fmin)

ftref=±MAX[|(fmax-fref)/fref|，|(fmin-fref)/fref|]

ft：頻率溫度穩(wěn)定度（不帶隱含基準度）

ftref：頻率溫度穩(wěn)定度（帶隱含基準溫）

fmax ：規(guī)定溫度范圍內測得的最高頻率

fmin：規(guī)定溫度范圍內測得的最低頻率

fref：規(guī)定基準溫度測得的頻率

說明：采用ftref指標的晶體振蕩器其生產難度要高于采用ft指標的晶體振蕩器，故ftref指標的晶體振蕩器售價較高。

負載電容：與晶體一起決定負載諧振頻率FL的有效外界電容，用CL表示。

負載電容系列：8PF 12PF 15PF 20PF 30PF 50PF 100PF

激勵電平：晶體工作時所消耗功率的表征值。激勵電平可選值有：2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW 等

老化率：在確定時間內輸出頻率的相對變化。

基頻：在振動模式最低階次的振動頻率。

泛音：晶體振動的機械諧波。泛音頻率與基頻頻率之比接近整數倍但不是整數倍，這是它與電氣諧波的主要區(qū)別。泛音振動有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。

應用石英晶體諧振器根據其外型結構不同可分為HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/S·SMD、UM-1、UM-5及柱狀晶體等。

HC-49U適用于具有寬闊空間的電子產品如通信設備、電視機、電話機、電子玩具中。

HC-49U/S適用于空間高度受到限制的各類薄型、小型電子設備及產品中。

HC-49U/S·SMD為準表面貼裝型產品，適用于各類超薄型、小型電腦及電子設備中。

柱狀石英晶體諧振器適用于空間狹小的穩(wěn)頻計時電子產品如計時器、電子鐘、計算器等。

UM系列產品主要應用于移動通訊產品中，如BP機、移動手機等。

石英晶體諧振器主要用于頻率控制和頻率選擇電路。本指南有助于確保不出現性能不滿意、成本不合適及可用性不良等現象。

1、 振動模式與頻率關系：

基頻 1～35MHz

3次泛音 10～75MHz

5次泛音 50～150MHz

7次泛音 100～200MHz

9次泛音 150～250MHz

2、 晶體電阻：對于同一頻率，當工作在高次泛音振動時其電阻值將比工作在低次振動時大。

"信號源+電平表"功能由網絡分析儀完成

Ri、R0：儀器內阻：一般為50Ω

R1--濾波器輸入端外接阻抗，阻抗值為匹配阻抗減去50Ω。

R2--濾波器輸出端外接阻抗，阻抗值為匹配阻抗減去50Ω。

在濾波器條件的匹配阻抗中有時有并接電容要求，應按上圖連接。

3、 工作溫度范圍與溫度頻差：在提出溫度頻差時，應考慮設備工作引起的溫升容限。當對溫度頻差要求很高，同時空間和功率都允許的情況下，應考慮恒溫工作，恒溫晶體振蕩器就是為此而設計的。

4、 負載電容與頻率牽引：在許多應用中，都有用一負載電抗元件來牽引晶體頻率的要求，這在鎖相環(huán)回路及調頻應用中非常必要，大多數情況下，這個負載電抗呈容性，當該電容值為CL時，則相對負載諧振頻率偏移量為：DL=C1/[2（C0+CL）]。而以CL作為可調元件由DL1調至DL2時，相對頻率牽引為：

DL1，L2= C1（CL1－CL2）/[2（C0+CL1）（C0+CL2）]。

5、 負載電容的選擇：晶體工作在基頻時，其負載電容的標準值為20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶體經常工作在串聯諧振，在使用負載電容的地方，其負載電容值應從下列標準值中選擇：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。

6、 激勵電平的影響：一般來講，AT切晶體激勵電平的增大，其頻率變化是正的。激勵電平過高會引起非線性效應，導致可能出現寄生振蕩；嚴重熱頻漂；過應力頻漂及電阻突變。當激勵電平過低時則會造成起振阻力不易克服、工作不良及指標的不穩(wěn)定。

7、 濾波電路中的應用：應用于濾波電路中時，除通常的規(guī)定外，更應注意其等效電路元件的數值和誤差以及寄生響應的位置和幅度，由于濾波晶體設計的特殊性，所以用戶選購時應特別說明。2

本詞條內容貢獻者為:

王偉 - 副教授 - 上海交通大學