晶振一般采用如圖1a的電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路；實際的晶振交流等效電路如圖1b，其中Cv是用來調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般用
變?nèi)荻O管加上不同的反偏電壓來實現(xiàn)，這也是壓控作用的機理；把
晶體的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co，C1，L1，RR是晶體的等效電路。
分析整個振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻率是有限的：決定振蕩頻率的整個槽路電容C=Cbe,Cce,Cv三個電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)。可以看出：C1越小，Co越大，Cv變化時對整個槽路電容的作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實際上，由于C1很小(1E-15量級)，Co不能忽略(1E-12量級，幾PF)。所以，Cv變大時，降低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時，升高槽路頻率的作用卻越來越大。這一方面引起壓控特性的非線性，壓控范圍越大，非線性就越厲害；另一方面，分給振蕩的反饋電壓(Cbe上的電壓)卻越來越小，最后導致停振。
采用泛音次數(shù)越高的晶振，其等效電容C1就越?。灰虼祟l率的變化范圍也就越小。
晶振的指標
總頻差：在規(guī)定的時間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體
振蕩器頻率與給定標稱頻率的最大偏差。
說明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率老化率造成的偏差、頻率電壓特性和頻率負載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩(wěn)定度關心，而對其他頻率穩(wěn)定度指標不嚴格要求的場合采用。例如：精密制導雷達。
頻率穩(wěn)定度：任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對的，程度不同而已。一個晶振的輸出頻率隨時間變化的曲線如圖2。圖中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素：老化、飄移和短穩(wěn)。
圖2 晶振輸出頻率隨時間變化的示意圖
曲線1是用0.1秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4 是用1天一次測量的情況。表現(xiàn)了晶振的老化。
頻率溫度穩(wěn)定度：在標稱
電源和負載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準溫度或帶隱含基準溫度的最大允許頻偏。
ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
ftref ＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜，｜(fmin-fref)/fref｜]
ft：頻率溫度穩(wěn)定度(不帶隱含基準溫度)
ftref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準溫度)
fmax ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻率
fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率
fref：規(guī)定基準溫度測得的頻率
說明：采用ftref指標的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標的晶體振蕩器,故ftref指標的晶體振蕩器售價較高。
開機特性（頻率穩(wěn)定預熱時間）：指開機后一段時間(如5分鐘)的頻率到開機后另一段時間(如1小時)的頻率的變化率。表示了晶振達到穩(wěn)定的速度。這指標對經(jīng)常
開關的儀器如頻率計等很有用。
說明：在多數(shù)應用中，晶體振蕩器是長期加電的，然而在某些應用中晶體振蕩器需要頻繁的開機和關機，這時頻率穩(wěn)定預熱時間指標需要被考慮到（尤其是對于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺，當要求頻率溫度穩(wěn)定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預熱時間將不少于5分鐘，而采用MCXO只需要十幾秒鐘)。
頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測量振蕩器頻率時，振蕩器頻率和時間之間的關系。這種長期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，因此，其頻率偏移的速率叫老化率，可用規(guī)定時限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時后），或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻率變化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））來表示。
晶體老化是因為在生產(chǎn)晶體的時候存在應力、污染物、殘留氣體、結構工藝缺陷等問題。應力要經(jīng)過一段時間的變化才能穩(wěn)定，一種叫“應力補償”的晶體切割方法（SC切割法）使晶體有較好的特性。
污染物和殘留氣體的分子會沉積在晶體片上或使晶體電極氧化，振蕩頻率越高，所用的晶體片就越薄，這種影響就越厲害。這種影響要經(jīng)過一段較長的時間才能逐漸穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定隨著溫度或工作狀態(tài)的變化會有反復——使污染物在晶體表面再度集中或分散。因此，頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時間長的晶振比工作時間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。
說明：TCXO的頻率老化率為：±0.2ppm～±2ppm（第一年）和±1ppm～±5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率老化率的指標，因為即使在實驗室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過溫度補償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個指標失去了實際的意義）。OCXO的頻率老化率為：±0.5ppb～±10ppb/天（加電72小時后），±30ppb～±2ppm（第一年），±0.3ppm～±3ppm（十年）。
短穩(wěn)：短期穩(wěn)定度，觀察的時間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。
晶振的輸出頻率受到內(nèi)部電路的影響(晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩(wěn)定性、工作狀態(tài)等)而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)定。測量一連串的頻率值后，用阿倫方程計算。相位噪音也同樣可以反映短穩(wěn)的情況(要有專用儀器測量)。
重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長時間工作穩(wěn)定后關機，停機一段時間t1(如24小時)，開機一段時間t2(如4小時)，測得頻率f1，再停機同一段時間t1，再開機同一段時間t2，測得頻率f2。重現(xiàn)性=(f2-f1)/f2。
頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準電壓調(diào)到規(guī)定的終點電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。
說明：基準電壓為＋2.5V，規(guī)定終點電壓為＋0.5V和＋4.5V，壓控晶體振蕩器在＋0.5V頻率控制電壓時頻率改變量為-2ppm，在＋4.5V頻率控制電壓時頻率改變量為＋2.1ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：≥±2ppm(2.5V±2V)，斜率為正，線性為+2.4%。
壓控頻率響應范圍：當調(diào)制頻率變化時，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準頻率低若干dB表示。
說明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應為0～10kHz。
頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分數(shù)表示整個范圍頻偏的可容許非線性度。
說明：典型的VCXO頻率壓控線性為：≤±10%，≤±20%。簡單的VCXO頻率壓控線性計算方法為(當頻率壓控極性為正極性時)：
頻率壓控線性＝±((fmax-fmin)/ f0)×100%
fmax：VCXO在最大壓控電壓時的輸出頻率
fmin：VCXO在最小壓控電壓時的輸出頻率
f0：壓控中心電壓頻率
單邊帶相位噪聲￡(f)：偏離載波f處，一個相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。
輸出波形：從大類來說，輸出波形可以分為方波和正弦波兩類。
方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上，對方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時間、驅動能力等幾個指標要求。
隨著科學技術的迅猛發(fā)展，通信、雷達和高速數(shù)傳等類似系統(tǒng)中，需要高質(zhì)量的信號源作為日趨復雜的基帶信息的載波。因為一個帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載波信號（不干凈的信號）被載有信息的基帶信號調(diào)制后，這些理想狀態(tài)下不應存在的頻譜成份（載波中的寄生調(diào)制）會導致所傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量及數(shù)傳誤碼率明顯變壞。所以作為所傳輸信號的載體，載波信號的干凈程度（頻譜純度）對通信質(zhì)量有著直接的影響。對于正弦波，通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標。
晶振的分類
根據(jù)晶振的功能和實現(xiàn)技術的不同，可以將晶振分為以下四類：
1) 恒溫晶體振蕩器(以下簡稱OCXO)
這類型晶振對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過設置恒溫工作點，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響，達到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設備，包括交換機、SDH傳輸設備、移動通信直放機、GPS接收機、電臺、數(shù)字電視及軍工設備等領域。根據(jù)用戶需要，該類型晶振可以帶壓控引腳。OCXO的工作原理如下圖3所示：
圖3恒溫晶體振蕩器原理框圖
OCXO的主要優(yōu)點是，由于采用了恒溫槽技術，頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的，由于電路設計精密，其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時間才能正常工作等。我公司生產(chǎn)的此類晶振的典型指標如下：
2) 溫度補償晶體振蕩器(以下簡稱TCXO)。
其對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補償手段，主要原理是通過感應環(huán)境溫度，將溫度信息做適當變換后控制晶振的輸出頻率，達到穩(wěn)定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進行補償，隨著補償技術的發(fā)展，很多數(shù)字化補償大TCXO開始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補償?shù)腡CXO又叫DTCXO，用單片機進行補償時我們稱之為MCXO，由于采用了數(shù)字化技術，這一類型的晶振再溫度特性上達到了很高的精度，并且能夠適應更寬的工作溫度范圍，主要應用于軍工領域和使用環(huán)境惡劣的場合。在廣大研發(fā)人員的共同努力下，我公司自主開發(fā)出了高精度的MCXO，其設計原理和在世界范圍都是領先的，配以高度自動化的生產(chǎn)測試系統(tǒng)，其月產(chǎn)可以達到5000只，其設計原理如圖4。
圖4 MCXO數(shù)字溫補晶振原理框圖
這類型晶振的典型的應用指標如下：
3) 普通晶體振蕩器(SPXO)。這是一種簡單的晶體振蕩器，通常稱為
鐘振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補償”和“AGC”部分,完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應用于穩(wěn)定度要求不高的場合。
4) 壓控晶體振蕩器(VCXO)。這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來分類，帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO，以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。
石英晶體振蕩器的特點
石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號。
一、石英晶體振蕩器的基本原理
1、石英晶體振蕩器的結構
石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結晶體）的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，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。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。
2、壓電效應
若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。
3、符號和等效電路
石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2所示。當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。
4、諧振頻率
從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即（1）當L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）當頻率高于fs時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。
根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線如圖2e所示。可見當頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時，石英晶體呈容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。
二、石英晶體振蕩器類型特點
石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩（TCXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補償式晶體損振蕩（DCXO）等。
普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。
溫度補償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。
恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。
三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)
晶振的主要參數(shù)有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯(lián)揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求，對于高檔設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實際應用中要根據(jù)具體要求選擇適當?shù)木д?，因不同性能的晶振其價格不同，要求越高價格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。
四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢
1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。
2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。
3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外，其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz。例如用于GSM等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為650～1700 MHz，電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。
4、低功能，快速啟動，低電壓工作，低電平驅動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術也取得突破性進展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO產(chǎn)品，在預熱5分鐘后，則能達到±0.01 ppm的穩(wěn)定度。
五、石英晶體振蕩器的應用
1、石英鐘走時準、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度。石英晶體振蕩器原理的示意如圖3所示，其中V1和V2構成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無法通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時精度。但此時我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時精度。根據(jù)電子鐘表走時的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C，如圖4所示。此時系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時減慢。若走時偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時增快。只要經(jīng)過耐心的反復試驗，就可以調(diào)整走時精度。因此，晶振可用于時鐘信號發(fā)生器。
2、隨著電視技術的發(fā)展，近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價格便宜，更換容易。
3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應用于通信網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?
