[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(yīng)，用來產(chǎn)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(jù)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(dāng)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(yīng)：

對某些電介質(zhì)施加機械力而引起它們內(nèi)部正負電荷中心相對位移，產(chǎn)生極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷.在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，機械力與電荷呈線性可逆關(guān)系.這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng).

作用：提供系統(tǒng)振蕩脈沖，穩(wěn)定頻率，選擇頻率.

參數(shù)a. 標(biāo)稱頻率：在規(guī)定條件下，晶振的諧振中心頻率.

b. 調(diào)整頻差：在規(guī)定條件下，基準(zhǔn)溫度時的工作頻率相對標(biāo)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(nèi)，相對于基準(zhǔn)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(lián)，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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部核心IC的腳位數(shù)。振蕩器本身是4pin。而從不同的應(yīng)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(yīng)，即寄生模。在振蕩器應(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)致Q 值的減小，等效串聯(lián)電阻增大及振蕩器頻率的改變。當(dāng)阻抗增加到相當(dāng)大的時候，振蕩器就會停止，即振蕩器失效。當(dāng)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(dāng)?shù)脑O(shè)計和封裝方法控制。不斷修正電極與晶片的尺寸關(guān)系（即應(yīng)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(biāo)標(biāo)稱頻率：振蕩器輸出的中心頻率或頻率的標(biāo)稱值。

頻率準(zhǔn)確度：振蕩器輸出頻率在室溫（25℃±2℃）下相對于標(biāo)稱頻率的偏差。

調(diào)整頻差：在指定溫度范圍內(nèi)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(lián)或相并聯(lián)，其組合阻抗呈現(xiàn)為電阻性時（產(chǎn)生諧振）的兩個頻率中的一個頻率。在串聯(lián)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(lián)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(lián)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(biāo)的溫度范圍。

頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)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(zhǔn)度）

ftref：頻率溫度穩(wěn)定度（帶隱含基準(zhǔn)溫）

fmax ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻率

fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率

fref：規(guī)定基準(zhǔn)溫度測得的頻率

說明：采用ftref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標(biāo)的晶體振蕩器，故ftref指標(biāo)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(nèi)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(shù)倍但不是整數(shù)倍，這是它與電氣諧波的主要區(qū)別。泛音振動有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。

應(yīng)用石英晶體諧振器根據(jù)其外型結(jié)構(gòu)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(chǎn)品如通信設(shè)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(shè)備及產(chǎn)品中。

HC-49U/S·SMD為準(zhǔn)表面貼裝型產(chǎn)品，適用于各類超薄型、小型電腦及電子設(shè)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(chǎn)品如計時器、電子鐘、計算器等。

UM系列產(chǎn)品主要應(yīng)用于移動通訊產(chǎn)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(xiàn)性能不滿意、成本不合適及可用性不良等現(xiàn)象。

1、 振動模式與頻率關(guān)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(dāng)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(wǎng)絡(luò)分析儀完成

Ri、R0：儀器內(nèi)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(yīng)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(yīng)考慮設(shè)備工作引起的溫升容限。當(dāng)對溫度頻差要求很高，同時空間和功率都允許的情況下，應(yīng)考慮恒溫工作，恒溫晶體振蕩器就是為此而設(shè)計的。

4、 負載電容與頻率牽引：在許多應(yīng)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(diào)頻應(yīng)用中非常必要，大多數(shù)情況下，這個負載電抗呈容性，當(dāng)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(diào)元件由DL1調(diào)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(biāo)準(zhǔn)值為20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶體經(jīng)常工作在串聯(lián)諧振，在使用負載電容的地方，其負載電容值應(yīng)從下列標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，導(dǎo)致可能出現(xiàn)寄生振蕩；嚴重?zé)犷l漂；過應(yīng)力頻漂及電阻突變。當(dāng)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(biāo)的不穩(wěn)定。

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

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王偉 - 副教授 - 上海交通大學(xué)