晶振基础知识

晶振基础知识

晶振基础知识（第一版）

摘要：本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的分类，晶体振荡器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。

一、振荡电路的定义，构成和工作原理 (3)

二. 晶体振荡器分类： (23)

三、石英晶体谐振器主要参数指标 (27)

四、石英晶体振荡器主要参数指标 (30)

五．石英晶体基本生产工艺流程 (43)

一、振荡电路的定义，构成和工作原理

1. 振荡器：不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。

2. 振荡器构成：谐振器（选频或滤波）+驱动（谐振）电路构成振荡器电路。

3. 谐振器的种类有：RC谐振器，LC并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐振器，原子谐振器，MEMS（硅）振荡器。本文只讨论石英晶体谐振器。石英谐振器的结构

石英谐振器，它由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。它的性能与晶片的切割方式、尺寸、电极的设置装架形式，以及加工工艺等有关。其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问题。由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数，因此只有沿某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。

普通晶振内部结构

Base

Mounting clips

Bonding area Electrodes Quartz blank Cover

Seal

Pins

Top view of cover

Metallic electrodes

Resonator plate substrate (the “blank”)

石英晶体振荡器主要由基座、晶片、IC 及外围电路、陶瓷基板（DIP OSC ）、上盖组成。

普通晶体振荡器原理图

胶点 基座

晶片

Bonding 线

IC

4. 振荡电路的振荡条件：

（1）振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。

（2）相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。

（3）振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线性电路。

（4）振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。

（5）振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。

（6）利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。

5.振荡器电路分类

振荡器

正弦波

（谐波振

荡器）

正反馈

LC振荡器

单管互感耦合LC振

荡器

差分对管LC振荡器

三点式振荡器

考毕兹振荡器

哈特莱振荡器

改进三点式振荡器

克拉泼振荡器

西勒振荡器

晶体振荡器

串联型布特勒

并联型

皮尔斯振荡器

密勒振荡器

RC振荡器移相式

导前型

滞后型

RC 串并联网络（文氏桥型）

负阻式

非正弦波

自激振荡器

多谐振荡器

（矩形波） 弛张振荡

器

对称式多

谐振荡器 正反馈

非对称式多谐振荡器 正反馈

环形振荡

器

延迟负反馈

施密特多

谐振荡器

延迟负反馈

石英晶体多谐振荡器 正反馈 压控振荡器

施密特触发器型 电容交叉充、放电型

定时器型 晶体压控振荡器 他激振荡器（脉冲整形）

比较器 门限比较器

迟滞比较器（施密特触

发器）

单稳态触发

器

反馈型振荡器的原理框图如图5.1所示。 由图可见, 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。

A

F

＋

?¤

?¤

U o

?

¤U i

?

¤U i

?

¤??U f

?

¤ 6. 反馈式振荡器工作原理：

6.1起振条件：振幅：A·F>1(U f >U i ) 相位：φΣ=φΣ+φΣ+φΣ=2n π,

6.2平衡条件:

振幅：A·F=1(U f =U i ), 相位：φΣ=φΣ+φΣ+φΣ=2n π

6.3稳定条件:幅度： 0||<∂∂+∂∂P i

P i U A

F U F A (A 为平衡

点)； 相位：0|<∂∂P ωϕ

根据振荡条件，振荡器应包括放大器、选频网络、反馈网络。

选频网络不同可以有LC 并联谐振回路、RC 选频网络、晶体滤波器等。 7. LC 正弦振荡器

凡采用LC 谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC 正弦波振荡器。 7.1单管互感耦合LC 振荡器 1) 电路

2) 工作原理 3) 结论

i) 是否可能振荡，取决于变压器正确的同名端标向

ii) 是否能起振，取决于变压器是否有足够的耦合量，

iii) 正反馈系数

7.2差分对管互感耦合LC振荡器

1) 电路

2) 工作原理

3) 电路特点

i) LC回路与负载R2分开，彼此隔离，R2不会影响LC回路Q值，所以振幅、频率稳定

ii) 差分对管基极均为零电位，故输出波形好，失真小

7.3 三点式振荡器