晶振基础知识1

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 (2)

二. 晶体振荡器分类： (16)

三、石英晶体谐振器主要参数指标 (18)

四、石英晶体振荡器主要参数指标 (19)

五．石英晶体基本生产工艺流程 (26)

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。

Mounting

clips

Top view of cover

Resonator

普通晶振内部结构

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。

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。

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

ω

ϕ

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

1、定义：用LC并联谐振回路作为选频和移相网络的振荡器

LC回路有三个抽头，分别与晶体管三个电极相连

2、构成原则:从相位平衡条件判断下图（a）三端式振荡器能否振荡的原则为：

(1)X1和X2的电抗性质相同；

(2)X3与X1、X2的电抗性质相反。

即“射同余异”，对于场效应管，为“源同余异”，

集成运放三点式与同相端相连为同性抗，不与同相端相连为异性抗

因此三端式振荡器有两种基本电路：

（b）电容反馈振荡器，也称为考必兹(Colpitts)振荡器

（c）电感反馈振荡器，也称哈特莱(Hartley)振荡器。

电容反馈振荡器与电感反馈振荡器的比较：

（a）两种线路都简单，容易起振。

（b）电容反馈振荡器的工作频率可以较高。

（c）电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。

（d）改变电容能够调整振荡器的工作频率。

对于电容三点式振荡器：当温度变化引起C1、C2变化时，将导致振荡器频率漂移。因此该电路频率稳定度会受影响。

7.4 改进式三点式振荡器

（a）克拉泼振荡电路：在电容三点式振荡电路的电感支路上串进了一个小电容C3而构成的，该电路称为串联型电容三点式振荡电路，又称克拉泼振荡电路。

改进后，C1和C2的变化就难以影响到振荡器的振荡频率。因此克拉泼振荡器的频率稳定度好。（b）西勒电路：电路主要特点, 就是电感支路上串进了一个小电容C3,同时电感L并联一可变电容C4，

8.晶体振荡器

石英晶体振荡器的结构和基本工作原理

（a）.石英晶体振荡器：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，再加上驱动电路构成的振荡器。

（b）国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（SPXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。

（c）石英晶体谐振器等效电路：