石英晶体振荡器设计方案

石英晶体振荡器

第一章研究意义

金融危机以来，国家围绕“保增长、调结构”采取了一系列调控政策，为我国石英晶体振荡器行业提供了较为宽松的国内发展环境，使石英晶体振荡器行业从2008年下半年以来的困境中得到了缓解和恢复。我国石英晶体振荡器行业也在加快产业结构调整、转变发展方式，为行业持续发展提供了动力和支撑。在全球经济不景气、国际市场持续低迷的情况下，我国石英晶体振荡器行业仍然呈现出了企稳回升、发展逐渐向好的良好局面。

虽然石英晶体振荡器行业发展很快，但是市场存在的一些问题不容忽视，如市场无序竞争、产品质量下降、创新乏力等。石英晶体振荡器行业的规划和发展需要建立在充分市场调研的基础之上，石英晶体振荡器市场管理需要认清市场经济条件下政府和企业的角色定位，石英晶体振荡器市场有序运行需要完善市场交易规则和各项制度。

第二章发展现状

石英的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英（b-石英）。

低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。受压或受热能产生电效应。

发展趋势

1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如TCXO这类器件的体积缩小了30～100倍。采用SMD 封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已经上市石英晶体振荡器。

2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。

3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过

200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650～1700MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。

4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源电压一般为3.3V。许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的SMDTCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的10～25MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01ppm的稳定度。

第三章种类详介

3.1 石英晶体振荡器

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，它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），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。石英晶体的压电效应：若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。注意，这种效应是可逆的。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。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）。现以SPXO 为例，简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。

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。

石英晶体振荡器的应用：

1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。

2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。面且晶振价格便宜，更换容易。

3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。

3.2温度补偿晶体振荡器

温度补偿晶体振荡器（TCXO）是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。TCXO中，对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型：

（1）直接补偿型直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成石英晶体振荡器

的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板（PCB）尺寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时，直接补偿方式并不适宜。

（2）间接补偿型间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度－电压变换电路，并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数（A/D）变换器，将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿，使晶体振荡器频率稳定度非常高，但具体的补偿电路比较复杂，成本也较高，只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。