器件基础知识振荡器

器件基础知识（振荡器）

2.8 振荡器

（1）石英晶体谐振器为晶体振荡器的核心元件，由石英片、电极、支架及其他辅助装置

组成，它是利用石英晶体的压电效应原理制成的电、机械振荡系统，由于石英晶体在物理和化学性能上都是较稳定的材料，因而其谐振频率必然稳定，晶体具有品质因数高，弹性振动损耗小的特点以及采用不同切割方式和几何形状可获得良好频率温度特性的优点，它被广泛应用于各类普通振荡器，压控振荡器，温度补偿晶体振荡器以及恒温晶体振荡器等。

（2）晶体振荡器是一种把直流电能转变成交流电能的装置，有时也称为信号发生器，它由直流电源、晶体管或电子管及振荡系统三个主要部分组成。使用了以晶体为核心的振荡电路，由于使用了具有高Q值的晶体，因此振荡器稳定性比较好，主要用于时钟信号产生电路和时钟标准。按用途和特点可分为普通晶体振荡器、电压控制晶体振荡器、温补晶体振荡器和温度控制晶体振荡器；按晶体振荡模式分，基频晶体振荡器、泛音晶体可分为振荡器；按采用分频、倍频技术可分为倍频晶体振荡器、分频晶体振荡器；如果按特定的技术要求也可以分为高稳定晶体振荡器、低噪声晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐低温晶体振荡器、

耐辐射晶体振荡器等等。

2.8.2 石英晶体谐振器结构特点

（一）振荡器的频率稳定与Q值关系

频率稳定度一般用频率的相对变化量∆f/f0来表示，f0为振荡频率，∆f为频率偏移。谐振回路的Q值愈高，频率稳定度愈高。但一般的LC振荡器，其Q值只可达到几百，振荡器频率稳定度大约为10-2~10-3；如果用石英晶体谐振器取代LC振荡器中的L、C元件所组成的振荡器，其Q 值低十万高达百万，晶体振荡器频率稳定度在10-4~10-11量级，因此在要求高频率稳定度的场合，都采用石英晶体振荡器。

（二）石英晶体材料的基本特性

（1）各向异性

石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是SiO2，两端呈角锥形，中间是一个六面体。从一块晶体上按一定的方位角度切下的薄片称为晶片（可以是正方形，矩形或圆形等），然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，如图1所示，一般用金属外壳密封，也有用玻璃封装的。

图1 石英晶体的一种结构

（2）压电效应

石英晶片所以能做振荡器是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变压振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的幅度是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片做固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械

振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器，简称晶体。

晶体中除基波振荡外尚有谐波振荡，其谐波频率近似为基波的奇数倍，如3、5、7、9倍。 （3） 晶体谐振频率

谐振频率主要由其切割方位，振动模式以及晶片的尺寸决定。例如，取纵向振动模式（AT 切），其频率近似由下式给出：f 0=

1690

d mm 。如38MHZ 基频晶体晶片厚度仅为0.04mm 。由于

传统机械切割方式晶片越薄加工越困难，容易碎片，因此基波晶体频率范围常取0.5~30MHZ ，如果频率再高就要用到3次、5次或7次泛晶体。 （4）晶体切割（cut ）

为了得到较好的谐振效果，按应用要求不同，严格按一定方位切割晶体。常用切割有AT 切、BT 切、CT 切、DT 切、SC 切。用得最多的AT 切，便是按Q ＝35癬21'（基频）或Q ＝34癬～35癬28'（泛音）切割晶体。SC 切晶体具有开机特性好，老化小，温度特性好、已广泛用在高稳定恒温晶体振荡器中。

（三）晶体谐振器的等效电路 （1） 等效电路

石英晶体的压电谐振现象可以图2所示的等效电路来模拟。等效电路中的C 0为切片与金属板构成的静电容，L 1和C 1分别模拟晶体的质量（代表惯性）和弹性，而晶片振动时，因磨擦而造成的损耗则用电阻R 1来等效。石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值（等效于L/C ），因而它的品质因素Q 高达104～106的范围内。例如一个4MHZ 的石英晶体的典型参数为：L 1＝100MH ，C 1＝0.015PF ，C 0＝5PF ，R 1＝100Ω，Q ＝25000。

图中石英晶体的总导纳为：

Y ＝1Z ＝

1

R 1＋j (WL 1-1/WG )

＋jWC

总电抗

Z =

1

Y

=

R ＋j (WL 1-1/WC 1)1-W 2L 1C 0＋C 0/C 1＋jWRC 0

电路谐振的条件是上式虚部为0，得到：

串联谐振频率f r =

12 4C 1

并联谐振频率f L =

12 L 1C 1

1＋C

1

C 0

由图3可见，当工作频率f fa 时，晶体又呈现容性。晶体在并联谐振电路中呈现感性，即工作频率f 去fr 与fa 之间。

并联谐振频率 f L =

12 L 1C 1

1＋C

1

C 0

晶体元件跟负载电容C L 相并联： 串联谐振频率

fa =

12 L 1C 1

并联谐振振频率

f L =

12 L 1C 1

1＋C 1C 0＋C L

＝f r 1＋

C 12C 0＋C L

从上面可以看出，在适当的电路中不论负载电容是串联还是并联，其振荡频率相同，只要给定外接电容就可以下式计算出负载谐振电阻：

R L =R 11＋C

C L

2