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石英晶振内部電路分析說明

作者:小揚
日期:2017年10月23日 14:08
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石英晶體振蕩器分非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)和數字化/μp補償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型。其中,無溫度補償式晶體振蕩器是最簡單的一種,在日本工業标準(JIS)中,稱其為标準封裝晶體振蕩器(SPXO)。簡要介紹一下石英晶振的結構與工作原理。


石英晶體,有天然的也有人造的,是一種重要的壓電晶體材料。石英晶體本身并非振蕩器,它隻有借助于有源激勵和無源電抗網絡方可産生振蕩。SPXO主要是由品質因數(Q)很高的晶體諧振器(即晶體振子)與反饋式振蕩電路組成的。石英晶體振子是振蕩器中的重要元件,晶體的頻率(基頻或n次諧波頻率)及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。石英晶體諧振器的基本結構、(金屬殼)封裝及其等效電路。


隻要在晶體振子闆極上施加交變電壓,就會使晶片産生機械變形振動,此現象即所謂逆壓電效應。當外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時,就會發生壓電諧振,從而導緻機械變形的振幅突然增大。

 

一、水晶材料基本特性

石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化矽的結晶體) 的壓電效應制成的一種諧振器件,它的基本構成大緻是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片,在它的兩個對應面上塗敷銀層作為電極,在每個電極上各焊一根引線接到管腳上,再加上封裝外殼,就構成了石英晶體諧振器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其産品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
 

石英晶體諧振器結構圖
 

 

石英晶體在壓力作用下産生形變,同時産生電極化。其極化強度與壓力成正比,這種現象就稱"正壓電效應".反之,在電場作用下,晶體産生形變,其形變大小與電場強度成正比,這種現象稱"逆壓電效應".(詳情可以查看YXC揚興官網《晶體的壓電效應》
 

逆壓電效應圖
 

石英晶體的壓電效用圖:(a) 壓電效應(b) 正壓電效應(c) 逆壓電效應

在二十多類具有壓電效應的晶體中,石英晶體是無線通訊設備中最為滿意的材料之一。它的機械強度高,物理化學性能穩定,内損耗低等,用它制成的器件被廣泛用在頻率控制和頻率選擇電路中。石英片的取向不同,其壓電特性、彈性特性和強度特性就不同,用它來制造的諧振器的性能也不一樣,現已發現了幾十種有用的切割方式。

二、石英諧振器的穩頻條件

石英晶振的頻率穩定度與以下三方面有關:負載電容、激勵電平和頻率溫度特性。
  

1 、負載電容。石英諧振器一般作為電感組件在振蕩電路中起穩頻作用,而電路的其它組件均可等效為一個負載電容與石英諧振器的等效參數及頻率穩定度帶來影響。
 

負載電容對頻率的影響圖
 

從石英晶振元件兩腳向振蕩電路方向看進去的所有有效電容,就是該振蕩電路加給石英晶振的負載電容。負載電容同石英晶振共同決定電路的工作頻率。通過調整負載電容,就可以将振蕩電路的工作頻率調整到标稱值。負載電容選用要合理,電容太大時,雜散電容影響減小,但微調率下降; 容值太小時,微調率增加,但雜散電容影響增加、負載諧振電阻增加, 甚至起振困難。
  

2 、激勵電平。一般取70 -100uA 為佳,用激勵功率表示時,一般取1 -100uW 為佳。激勵電平的大小直接影響石英諧振器的性能,所以電路設計者一定要嚴格控制石英諧振器在規定的激勵電平下工作,以便充分發揮石英諧振器的特點。一般來講,激勵電平偏小對于長穩有利,激勵電平稍大對于短穩有利。但是激勵電平太大,石英片振動強,振動區域溫度升高,石英片内産生溫度梯度,會使頻率穩定度降低;激勵電平過大,由于機械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移,使頻率産生永久性的變化,甚至有時會把石英片振壞;激勵電平過大,會使等效電阻增加,Q 值下降,電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規則;激勵電平過大,容易激起寄生振動,同時還會使老化變大。當然,激勵電平過低也會使信噪比變小而影響短期穩定度,激勵電平太低,諧振器不易起振,影響工作的穩定和可靠性。所以諧振器使用應根據不同的要求嚴格控制激勵電平,更不能為了增大輸出而随意提高激勵電平。
  

3 、頻率溫度特性。
 

頻率溫度特性圖   
 

三、石英振蕩電路的組成與設計
  

石英振蕩電路的形式很多,但基本電路隻有兩類:并聯晶體振蕩器和串聯晶體振蕩器。前者石英晶體是以并聯諧振的形式出現,而後者則是以串聯諧振的形式出現。石英振蕩電路主要由IC、石英諧振器XTAL 、電阻、PCB 等組成,下面對各組成部分做簡單說明:
  

1、IC:可根據實用的需要任意選用,如CMOS 反向器IC;專用振蕩IC;大規模的數字IC 中自備石英振蕩門。
  

2 、負載特性:振蕩電路(除去CRYSTAL) ,具有一個負阻特性(用網絡頻譜分析儀) ,振蕩電路負阻值(絕對值) 必須大于3 倍的CRTSTAL 電阻值( CRYS2TAL ESR/ RR) ,振蕩電路才可以穩定的振蕩。
  

3 、電容:可根據用戶的需要選用片式或傳統結構的産品,但是應注意選擇适用于高頻的、低損耗的,選用NP0 系列的溫度系數産品。
  電阻:在選擇尺寸的同時需注意功耗的滿足。
  

4 、PCB :注意能滿足高頻的使用場合和注意盡量降低線路的分布參數,大面積接地和一點式接地方案的采納。有必要的時候應注意EMI 的防護。
  

5 、石英諧振器XTAL :頻率大于1MHz 的諧振器應選用ATMODE ,可根據用戶的需要選擇合适的外形尺寸和封裝的晶體。主要電性指标: FL 、ESR 的CLOCK需要選用FL 及公差,并按Cg/ Cd 值,計算而得CL =
 

石英諧振器計算公式

 

(Cs :線路分布雜散電容)

  

6 、ESR :單位Ω,工作溫度範圍的頻率公差。

  

正确的選取Cg/ Cd 的值将有利于振蕩電路的工作穩定,并能使振蕩頻率滿足使用的CL K 要求。其選取的步驟如下:
  

(1) 首先應該按照- R 的需要選擇Cg/ Cd ,在滿足TS 的情況下應盡量小些,保持較高的- R 以保證振蕩的穩定性。當無法滿足- R 要求時應考慮對IC 的特性重新評價、選擇。
  

(2) Rf 值選取:取用的XTAL 為基本波的時候,Rf選用1MΩ;3RD 模式的XTAL 時須考慮截止頻率必須界于基頻與3RD 的中間以保證3RD 工作正常為原則,通常Rf 阻值在2 - 15KΩ 間。
 

  Rf 值選取

 

(3) 為了避免對XTAL 的過激勵而影響電路的正常工作,建議采用Rr 以控制XTAL 的激勵功率;其數值視頻率高低可在33 - 68Ω間選取。
  

(4) 對于有EMI 要求的振蕩電路設計中必須選取SEAM 焊封4PAD 的晶體諧振器,同時賦予合理接地方式,可滿足EMI 防護的需求。
  

四、發展趨勢
石英産品與其它的電子器件同樣朝着輕薄短小演進。石英産品從1990 年開始朝着SMD 的方向發展,1998 年開始又向小型SMD 的方向發展,因此輕薄短小的競争也就從此白熱化起來。随着CPU 的運轉速度的加快,石英諧振器和石英振蕩器的高頻化進程也在加快。在石英水晶的壓電效應發展至今,将進入重要的頻率控制組件發展的新紀元。

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