石英晶体(Crystal)振荡电路_电器电路基础_电子设备技术
石英晶体(Crystal)振荡电路
在实际应用中,要求振荡产生的输出信号应具有一定的稳定度。频率稳定度一般用频率的相对变化量来表示,为频率偏移，f为实际频率，f0为标准振荡频率。
对于RC振荡电路振荡频率稳定度比较差，LC振荡电路的频率稳定度比RC振荡电路好得多，但通常只能达到10-3数量级。为了提高振荡电路的频率稳定度，可采用石英晶体振荡电路，其频率稳定度一般可达到10-6－10-8量级，有的可高达10-9－10-11（一）石英晶体谐振器的特性
结构和符号
石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分SiO2。它由晶片、涂银层、焊点构成。晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，其形状可以是正方形、矩形、或圆形；涂银层是在晶片两个面上镀上银层构成；再由焊点引出电极，石英成了晶体。 ? 2. 压电效应
压电效应： 机械形变（由机械力作用于石英晶体所产生）晶片对应面上产生正、负电荷形成电场 在晶片对应面上加一电场石英晶片会产生机械变形。 压电谐振:在晶片两边外加一交变石英晶片会按交变电压频率产生机械振动 机械振动在两个电极产生交变电荷，在外电路中形成交变
当外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，晶片发生共振，此时机械振动幅度最大，晶片两面的电荷量和电路中的交变电流也最大，如同回路的谐振现象，故称为压电谐振。 （（晶片的固有机械振动频率称为谐振频率，它只与晶片的几何尺寸有关，具有很高的稳定性，所以用石英晶体可以构成十分理想的谐振系统。
?3. 等效电路
???????????????? Co?— 晶片静态? (几 ~ 几十 pF)???????
?????? Lq?— 晶体的动态 (10?3?~ 102 H)(大)
?????? rq?— 等效摩擦损耗(小)?????? Cq— 晶体的动态?? (& 0.1 pF)(小)
4. 频率特性和谐振频率 分析：（）
当信号频率较低时，由于动态电容Cq值最小即最大，故由它起主要作用，晶体呈现容性。
随着频率的增加，Cq的容抗减小，而Lq的逐渐增大，当信号频率f=fs时，Cq和Lq发生串联谐振，此时晶体的电抗为零；（）
随着频率进一步的增加，由动态起主要作用，晶体呈现感性，等效为一个很大的电感
当频率升高到时，Cq、Lq、C0发生并联谐振，电抗为无穷大
（） （5）当频率时，由C0起主要作用，此时电抗再次呈现容性。
(二)石英晶体谐振电路
1. 串联型 &?????????????????????
2. 并联型 fs?& f & fp，晶体呈感性
D 2-3-4 -5=
R 2-3-4 =680R
R 7-8-9 -10=1K
D1=5V6 /0.5W&石英晶体振荡器的应用电路
1．内部晶体振荡器电路
　　在有些集成电路（如单片机）中已经集成有振荡电路，只需要外加一个晶振即可。石英晶体与集成电路搭配时，通常是连接到集成电路的振荡端（OSCI/CLKIN或OSCVCLKOUT），以建立振荡，如图8-5所示。
　　Cl是相位调节电容；C2是增益调节电容。对于32kHz以上的晶体振荡器，当UDD
时，建议C1-C2—30pF。南于每一种晶振都有各自的特性，所以Cl、C2最好按制造厂商所提供的数值选择。在许可范围内，Cl、C2越低越好。电容值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。对于有些电压（低于4.5V）电路，府使C2稍大于Cl，这样在上电时，加快品振起振。
电阻RS常用来防止品振被过激励。此时可用示波器检测osc输出脚，如果检测到一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过激励；相反，如果正弦波形的波峰、波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过激励。这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动。判断电阻RS值大小的最简中方法就是串联一个5k0或lOkQ的微调电阻，从0Q开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。通过此办法
就可以找到最接近的RS电阻值。
　　2．外部晶体振荡器电路
　　从石英晶体的电抗频率特性可知，它有两个相当接近的谐振频率：一个是串联谐振频率：另一个是并联谐振频率。当石英晶体处于串联谐振时电抗最小，当处于并联谐振时电抗最大；当处于这两个频率范围之间时，石英晶体呈电感性；当游离这两个频率之外时，石英晶体呈容性。
　　晶振的振荡电路形式有很多种，常用的有两种：一是品振接在振荡回路中，作为电感元件使用，这类振荡器称为并联晶体振荡器；二是把晶体作为串联短路元件使用，使其工作于串联谐振频率上，称为串联晶体振荡器。
　 【串联谐振电路】
　　串联营振电路是把晶振接在正反馈支路中，当晶振工作在串联谐振频率上时，其总电抗为零，等效为短路元件，这时反馈作用最强，满足振幅起振条件。
　　图8.6是工作于串联谐振状态的TTL门电路振荡器。　
　　　在串联谐振电路中，品振可以等效成LC串联电路。当电路频率为串联谐振频率叫，晶体的等效电抗接近零（发生串联谐振），串联谐振频率信号最容易通过Nl、N2闭环回路。这个频率信号通过两级反相后形成反馈振荡，晶体同时也担任着选频作用。也就是说，在工作于串联谐振状态的振荡电路，它的频率取决于晶振本身具有的频率参数。
　　反相器N3用来提供振荡器所需的180。相移， R3、R4
(470Q)的电阻用来提供负反馈，同时提供品振的偏胃电压。
　　【并联谐振电路】
　　并联谐振电路的原理与一般LC振荡器相同，只是把晶振体接在振荡回路中作为电感元
件使用，并与其他回路元件一起，按照i点式电路的组成原则与晶体管相连。
　　图8—7是工作J：并联谐振状态的CMOS门电路振荡器，晶体等效一个电感（晶体工作于
　　串联谐振频率与并联谐振频率之问时，晶体呈电感性）与外接的电容构成三点式LC振荡器，通过外接的电容可对频率进行微调。
　　电阻R接在反相器N3的输入与输出端，其日的是将N3偏置在线性放大区，构成放大器。从晶体X的两端看，Cl、C2是通过GND串联成一个电容(这个串联电容C；可以由公式Cx—CIC2/(C1+C2,)隶出，Cx不仪是Cl和C2的串联值，还将晶体内部电容co串进去，C。要比C1和C2小很多，Cx近似等于Co，所以cl和C2对谐振频率影响很小，只能做频率微调），X与串联电容构成一个并联共振电路（为了方便，这里只简单的将晶体等效为电感性），晶体和电容Cl、C2也构成一个7t型选频网络反馈通道（也称7c型谐振电路）。
　　罔8-7工作十并联谐振状态的CMOS门电路振荡器
　　N3放大器的输出端信号通过X、C2、CI构成的7c型谐振电路返回N3放大器的输入端，形成反馈振荡。由此可见，它的振荡频率是由兀型谐振电路所决定的（当然，主要还是由晶
体所决定的）。由于N3的输出端连接着由晶振X、C2、Cl组成的7c型谐振电路，而且输出
信号近似于正弦波，故为防Jr负载电路对振荡电路的干扰和提高带载能力，N3的输出信号需通过N4的缓冲、放大整形后再接到负载。
　　在品体X与串联电容C。构成的并联共振电路星，C，的损耗电阻大时，电路的Q值必然下降，『司日0会使晶体的特性恶化。引起Cx增人的因素足来自多方面的，但电阻R起到较大的作用，通常在提供足够激励的情况下，尽可能增大电阻R的电阻值（电阻R的取值一般为1—30MQ）或在N3输出端与选频网络之间（即BC问）串八一个电阻（阻值约为5～　　lOkQ即可）。在Cl、C2之问的连接也要引起注意，连接线粗而短，不但可以减小产生损耗，而且还能防止混入干扰源影响振荡器的正常工作。
　　在要求不高的实际应用中，为了设计方便，通常选择负载电容C．、C2的容量相同。在要求较高的情况下，可适当减小Cl或并联一个微调电容加以调整。
　　虽然图8-6电路比图8-7电路少用了一个电容，但该电路在晶体损坏时仍然有可能振荡，此时由晶体内部的分布电容和C9、R3、R4及两个反相器构成多谐振荡器。当然，此时振荡频率不是晶体的频率。如果发生这种情况，则系统将不能正常工作，会出现许多莫名其妙的问题。图8-7电路就不存在以上问题。
　　要得到较精确的频率，除了电容需选用损耗小、特性好的产品外，印制板布线和各元件的温度系数也很重要。晶振与集成电路（单片机）的引脚应尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振的金属外壳接地并固定，以减少来自外界的干扰，如图8-8所示。此措施可以解决许多疑难问题。
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石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐&&---
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石英晶体振荡器工作原理
&& & & & &由于石英晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等一系列优点，因而被应用于家用电器和通信设备中。今天我们来了解下它的工作原理。
石英晶体振荡器
& & & &&石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。
石英晶体振荡器
& & & & 晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。 晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫压电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电..的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。
石英晶体振荡器工作原理
1、PXO工作原理
& & & & 放大网络----- 对所加的信号进行放大； 反馈网络------相位校正网络
& & & &振荡电路的两项条件：
1、电路的闭环增益必须等于1，这可以通过放大器网络的自限幅特性实现；
2、围绕电路的网络相移量必须等于2&n，通常n为1或2。
2、VCXO工作原理
& & & & VCX由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成,通过控制变容二极管的电压来改变变容二极管的电容，从而&牵引&石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。
技术规范：
控制电压&交流信号时，也称调制电压
压控范围 -电压变化范围内的频率变化量
压控极性 & 随电压的增加而上升的极性为&+&，反之为&-&
线性度 -频率偏移（ error）与压控范围的比例
3、TCXO工作原理
& & & & 基本上是一个VCXO和温度补偿网络构成，补偿网络有热敏电阻等组成，通过调节不同温度下变容二级管的电压来改变晶体的负载，从而调整晶体的频率。
石英晶体振荡器发展趋势
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。
石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐
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&&&&该文将讨论晶振电路设计方案，并解释电路中的各个元器件的具体作用，并且在元器件数值的选择上提供指导。最后，就消除晶振不稳定和起振问题，最后文章还将给出了一些建议措施。
&&&&汽车的电装化比如引擎控制、制动控制、转向控制在ADAS中更加不可或缺，其重要性越来越高。它们都是通过ECU来进行控制的，作为支配其动作的时钟源计时装置是必须的。ECU通过和CAN、FlexRay等车内LAN相连接，需要瞬间传输和处理大量数据，从而需要高品质、高精度的时钟。
&&&&晶振、陶瓷谐振槽路、RC (电阻、电容)振荡器以及硅振荡器是适用于微控制器(uC)的四种时钟源。针对具体应用优化时钟源设计依赖于以下因素：成本、精度和环境参数。本篇应用笔记讨论了与微控制器时钟选择有关的各种因素，并对不同类型的振荡器进行了比较。
&&&&对时钟同步的保持模式如何达到一个更高的性价比是通信设备厂商遇到的一个普遍难题，为了能更清楚地解释这些问题，笔者撰文分析了各种不同等级的晶振产品对时钟保持模式的影响。
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晶振（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。
晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点
，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的
距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就
会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电
感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
　　晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐
　　一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分
别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC
的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。
　　一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的
振荡电路就是比较好的选择。
　　晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振
为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信
号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。　　
　　石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体
的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，
谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数：谐振电阻（RR），谐
振器没有电阻要求。RR的大小直接影响电路的性能，因此这是各商家竞争的一个重要参数。
无源晶振：只是一片按一定轴向切割的石英晶体薄片，必须配合其他IC振荡电路才能工作。
有源晶振：无源晶振+振荡电路，封装在一起，所以需要为其提供电源。
晶振的基本原理及特性
晶振一般采用如图1a的电容三端式（考毕兹）交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。
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分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe，Cce，Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上，由于C1很小（1E-15量级），Co不能忽略（1E-12量级，几PF）。所以，Cv变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压（Cbe上的电压）却越来越小，最后导致停振。
采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。
晶振的指标
总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。
说明：总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如：精密制导雷达。
频率稳定度：任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图2。图中表现出频率不稳定的三种因素：老化、飘移和短稳。
3A71878.jpg (19.42 KB, 下载次数: 2)
09:35 上传
图2 晶振输出频率随时间变化的示意图
曲线1是用0.1秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳；曲线3是用100秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移；曲线4 是用1天一次测量的情况。表现了晶振的老化。
频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
ftref ＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜，｜(fmin-fref)/fref｜]
ft：频率温度稳定度(不带隐含基准温度)
ftref：频率温度稳定度(带隐含基准温度)
fmax ：规定温度范围内测得的最高频率
fmin：规定温度范围内测得的最低频率
fref：规定基准温度测得的频率
说明：采用ftref指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用ft指标的晶体振荡器，故ftref指标的晶体振荡器售价较高。
开机特性（频率稳定预热时间）：指开机后一段时间(如5分钟)的频率到开机后另一段时间(如1小时)的频率的变化率。表示了晶振达到稳定的速度。这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用。
说明：在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和关机，这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到（尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，当要求频率温度稳定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作为本振，频率稳定预热时间将不少于5分钟，而采用MCXO只需要十几秒钟）。
频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率（如±10ppb/天，加电72小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））来表示。
晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构工艺缺陷等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳定，一种叫“应力补偿”的晶体切割方法（SC切割法）使晶体有较好的特性。
污染物和残留气体的分子会沉积在晶体片上或使晶体电极氧化，振荡频率越高，所用的晶体片就越薄，这种影响就越厉害。这种影响要经过一段较长的时间才能逐渐稳定，而且这种稳定随着温度或工作状态的变化会有反复——使污染物在晶体表面再度集中或分散。因此，频率低的晶振比频率高的晶振、工作时间长的晶振比工作时间短的晶振、连续工作的晶振比断续工作的晶振的老化率要好。
说明：TCXO的频率老化率为：±0.2ppm～±2ppm（第一年）和±1ppm～±5ppm（十年）（除特殊情况，TCXO很少采用每天频率老化率的指标，因为即使在实验室的条件下，温度变化引起的频率变化也将大大超过温度补偿晶体振荡器每天的频率老化，因此这个指标失去了实际的意义）。OCXO的频率老化率为：±0.5ppb～±10ppb/天（加电72小时后），±30ppb～±2ppm（第一年），±0.3ppm～±3ppm（十年）。
短稳：短期稳定度，观察的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。
晶振的输出频率受到内部电路的影响（晶体的Q值、元器件的噪音、电路的稳定性、工作状态等）而产生频谱很宽的不稳定。测量一连串的频率值后，用阿伦方程计算。相位噪音也同样可以反映短稳的情况（要有专用仪器测量）。
重现性：定义：晶振经长时间工作稳定后关机，停机一段时间t1（如24小时），开机一段时间t2（如4小时），测得频率f1，再停机同一段时间t1，再开机同一段时间t2，测得频率f2。重现性=(f2-f1)/f2。
频率压控范围：将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量。
说明：基准电压为＋2.5V，规定终点电压为＋0.5V和＋4.5V，压控晶体振荡器在＋0.5V频率控制电压时频率改变量为-2ppm，在＋4.5V频率控制电压时频率改变量为＋2.1ppm，则VCXO电压控制频率压控范围表示为：≥±2ppm(2.5V±2V)，斜率为正，线性为+2.4%。
压控频率响应范围：当调制频率变化时，峰值频偏与调制频率之间的关系。通常用规定的调制频率比规定的调制基准频率低若干dB表示。
说明：VCXO频率压控范围频率响应为0～10kHz。
频率压控线性：与理想（直线）函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。
说明：典型的VCXO频率压控线性为：≤±10%，≤±20%。简单的VCXO频率压控线性计算方法为（当频率压控极性为正极性时）：
频率压控线性＝±((fmax-fmin)/ f0)×100%
fmax：VCXO在最大压控电压时的输出频率
fmin：VCXO在最小压控电压时的输出频率
f0：压控中心电压频率
单边带相位噪声￡(f)：偏离载波f处，一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。
输出波形：从大类来说，输出波形可以分为方波和正弦波两类。
方波主要用于数字通信系统时钟上，对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。
随着科学技术的迅猛发展，通信、雷达和高速数传等类似系统中，需要高质量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。因为一个带有寄生调幅及调相的载波信号（不干净的信号）被载有信息的基带信号调制后，这些理想状态下不应存在的频谱成份（载波中的寄生调制）会导致所传输的信号质量及数传误码率明显变坏。所以作为所传输信号的载体，载波信号的干净程度（频谱纯度）对通信质量有着直接的影响。对于正弦波，通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。
晶振的分类
根据晶振的功能和实现技术的不同，可以将晶振分为以下四类：
1) 恒温晶体振荡器（以下简称OCXO）
这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。OCXO的工作原理如下图3所示：
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图3 恒温晶体振荡器原理框图
OCXO的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。我公司生产的此类晶振的典型指标如下：
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2) 温度补偿晶体振荡器（以下简称TCXO）。
其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大TCXO开始出现，这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。在广大研发人员的共同努力下，我公司自主开发出了高精度的MCXO，其设计原理和在世界范围都是领先的，配以高度自动化的生产测试系统，其月产可以达到5000只，其设计原理如图4。
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图4 MCXO数字温补晶振原理框图
这类型晶振的典型的应用指标如下：
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3) 普通晶体振荡器（SPXO）。这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图3中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分，完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。
4) 压控晶体振荡器（VCXO）。这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。
石英晶体振荡器的特点
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
一、石英晶体振荡器的基本原理
1、石英晶体振荡器的结构
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，它的基本构成大致是：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。下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。
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2、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。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。
3、符号和等效电路
石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2所示。当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH 到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
4、谐振频率
从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。
根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图2e所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。
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二、石英晶体振荡器类型特点
石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。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（TCXO），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）。目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。
普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^(-5)～10^(-4)量级的频率精度，标准频率1—100MHZ，频率稳定度是±100ppm。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量级，频率范围1~30MHz。低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸14×10×3mm。
温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^(-7)～10^(-6)量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。
恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10^(-10)至10^(-8)量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。
三、石英晶体振荡器的主要参数
晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上，也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。频率精度和频率稳定度：由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从10^(-4)量级到10^(-10)量级不等。稳定度从±1到±100ppm不等。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。
四、石英晶体振荡器的发展趋势
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。
2、高精度与高稳定度，目前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。目前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650～1700 MHz，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。目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2 mA。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SMD TCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01 ppm的稳定度。
五、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。石英晶体振荡器原理的示意如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。一般Q、C1及C2均为外接元件。另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。但此时我们仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。如图5所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。因此，晶振可用于时钟信号发生器。
2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503 kHz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。
本帖最后由 数电menmenchaig 于
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常见的晶振大多是二只脚，3 脚的晶振是一种集晶振和电容为一体的复合元件。由于在集成电路
振荡端子外围电路中总是以一个晶振（或其它谐振元件）和两个电容组成回路，为便于简化电路
及 工艺，人们便研制生产了这种复合件。其3 个引脚中，中间的1 个脚通常是2个电容连接一起
的公 共端，使用时连接GDN，另外2 个引脚即为晶振两端，也是两个电容各自与晶振连接的两
端。由此可见，这种复合件 可用一个同频率晶振和两个100～200pF&&的瓷片电容按常规连接后
直接予以代换。
本帖最后由 数电menmenchaig 于
15:39 编辑
石英晶体元件根据其功能主要分为3类：
石英晶体谐振器（行业简称晶体）
石英晶体振荡器（行业简称钟振）
石英晶体滤波器
对于滤波器顾名思义就知道它的功能了，在此不多说，关于晶体和钟振，许多非石英晶体行业的朋友来说可能存在很多搞不明白的问题。
石英晶体谐振器，行业内一般简称为晶体，他是一个被动、无源元件，其结构是一个简单的石英晶片或者音叉，通过真空镀膜技术在其表面镀上电极，然后通过导电胶或者焊锡等材料将其固定在晶体盒内，然后再通过镀膜方式微调频率，频率调准后在真空或者充有非氧化性气体（通常为氮气）的环境内密封。晶体的组装过程需要在至少10000级的环境下进行，空气中的粉尘对激励功率本来只有uW级的晶体来说是一个致严重的威胁。
石英晶体谐振器的等效电路是C1(动态电容）L1(动态电感）R(等效电阻）串联后再和C0(静态电容）并联，因此其谐振频率和外围电路的等效参数有直接关系，通常包括并联谐振频率（Fr）和串联谐振频率（Fs）
石英晶体谐振器的封装从焊接方式可以分为两种：DIP 和 SMD，目前SMD产品正在占据越来越多的市场。
DIP石英晶体谐振器的晶体盒材料一般是Fe合金以及Cu合金，常见的封装有：HC-49U/T/S 系列，UM-1/5系列，圆柱形3*8/2*6/1.5*5等，这些产品的共同点是有两条不仅外观对称而且功能也对称的引线，没有正反向之分。有些特殊应用需要将外壳接地，可能会在外壳上多一条引脚，但这并非常规产品。
SMD石英晶体谐振器的晶体盒有几种不同的材料，大概有以下几类：陶瓷基座+合金外盖，玻璃封装，全陶瓷封装，全石英封装，可能还有我不知道的。其标准尺寸有：50/25/，目前市场主流是，一般情况??积越小单价越高。对于贴片石英晶体谐振器通常有2个或者4个焊盘，4焊盘的产品其中左下脚和右上脚有用，另外两个焊盘是和外壳连通的。
石英晶体谐振器内部石英晶片多采用AT和BT切型，分别具有不同的温度系数。晶体的切型是指将大块的石英切割成晶片时的切割方向。
以上各种晶体谐振器在室温下的频率精度常规产品为+/-20ppm或者+/-30ppm，在-20~+70度范围内常规产品为+/-20ppm或者+/30ppm，其中HC-49U和UM-1/5封装最好可以做到5ppm常温/5ppm（-10~+60度）
石英晶体振荡器，行业内一般简称晶振或钟振，他是在石英晶体谐振器的基础上，增加了振荡电路，对晶体的输出波形、频率等作了调整，有些振荡器还具备一些特殊功能，比如压控VCXO、温补TCXO、恒温OCXO、数控DCXO等。他是一个主动、有源器件。使用钟振的时候只要提供一个稳定的电压就可以有稳定的频率输出。
以下对普通晶体振荡器提供一些个人看法，普通石英晶体振荡器也有DIP和SMD两大类封装，目前普通振荡器SMD产品是主流，并且单价几无差别，设计选型最好选择SMD系列产品。
DIP的标装一般是按照8位和16位的标准，一般第1脚NC，第4/7脚GND，第5/8脚OUTPUT，第8/14脚Vdd，DIP系列第一脚的存在应该是为了固定产品或者是标准的原因，通常没有电气功能。
SMD产品通常为7*5mm或者5*3.2mm的尺寸，其4个焊盘按照焊盘朝下逆时针方向编号1~4，第1脚E/D（Enable/Disable又叫做使能端或者控制端），第2脚GND，第3脚OUTPUT，第4脚Vdd。常规产品的工作电压为3.3V 5.0V+/-10%。有些制造商可能内部没有将第1脚和内部电路联起来，那第1脚就是NC（没有电气功能）了。
第1脚E/D可以不接或者接高电平（50%Vdd以上），低电平是Disable，也就是通常说的3态功能。
压控晶体振荡器VCXO的第1脚接一可变电压，可以调整OUTPUT的频率，调整幅度通常可以达到+/-70ppm/V。
温补晶体振荡器TCXO的特点是利用和晶体温度曲线相反的电路来补偿晶体温度偏差，好的TCXO可以达到0.05ppm（0~+60度）普通的在1~5ppm（0~+60度）。
恒温晶体振荡器OCXO是将晶体放在一个恒温槽内，通过控温电路保持内部温度恒定（只有微小偏差），从而避免因温度变化带来的影响，这类产品最高精度可以达到+/-2ppb，普通产品在+/-5~+/-50ppb。通常这类产品采用SC切型（立体双角度切割）晶片，目前该切割技术国内还没有产业化。这产品多用于移动通讯基站以及测试测量设备的内部时钟。OCXO因需要恒温槽或者很好的保温设计，一般体积比较大。
数字补偿晶体振荡器DCXO是采用复杂的算法对所采集到的晶体振荡频率做补偿和调整，该类产品本人暂时不是很熟悉，恕不多述：）
不管是谐振器还是振荡器，根据不同的工作环境，有不同的可靠性要求，一般可以分为：普通产品、工业级产品和车载级产品。
设计选形时需根据实际的用途，来选择合适的产品，选择过高要求的产品将大大提高采购成本。
晶振的nc脚还有一个用处就是可用来做为压控晶振的压控端，即vcxo。可以用来做三态控制端。
标准封装的问题。
有些晶振提供了enable脚，用的就是你所用晶振的NC引脚，而你用的刚好没有提供外部enable功能而已。但是采用的封装都是标准封装。
OSC的四个PIN分别为
Pin1:EN或NC(No-C从IC到OSC的Pad间不打线)
Pin2(Pin4 –Dip type):GND
Pin3(Pin5- Dip type):Output
Pin4(Pin8-Dip type):Vcc
在EN type中,它是用来Stop output的,就算你不用它也千万不要接地!正常运作下它是自然pull High的如果你将它接地就无输出了!那为什么要有它呢?如果不希望工作不是干脆把Vcc切段就好了?原因是任何晶体起振的时候都需要一个启动时间(Start-time),依频率的不同都在5mSec至数十mSec.,这对运作中的电子产品是一个很长的时间,如何将产品设计出有睡眠功能(省电模式)又能快速提供频率就是非它不可了!因为当Vcc=EN=low时,虽然没有output,但是晶体还是有在振荡的(内部振,也较省电),如果你在这时将EN马上pull high,这时OSC可以马上提供输出而不需要等待xx mSec.这么长时.
在NC type中,并无接线,所以也无所谓的EN功能,但是聪明的你们!会把pin1的layout接地吗?如果你接地!那请你以后只能买NC type的OSC.了.
陶瓷晶振与贴片的三角晶振一样的，中间的脚是用来接地的，也就是与晶振的外壳相连。即为：输入，接地，输出。
晶振~~~~~~~~~~~~~~~~~~
bucuozhangjianshiliao
先收藏后学习
看看。。。。。。
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