晶體振蕩器

晶體振蕩器，簡稱晶振，其作用在於產生原始的時鐘頻率，這個頻率經過頻率發生器的倍頻或分頻后就成了電腦中各種不同的匯流排頻率。以音效卡為例，要實現對模擬信號44.1kHz或48kHz的採樣，頻率發生器就必須提供一個44.1kHz或48kHz的時鐘頻率。如果需要對這兩種音頻同時支持的話，音效卡就需要有兩顆晶振。但是現在的娛樂級音效卡為了降低成本，通常都採用SRC將輸出的採樣頻率固定在48kHz，但是SRC會對音質帶來損害，而且現在的娛樂級音效卡都沒有很好地解決這個問題。

石英晶體振蕩器基本結構及工作原理

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）、恆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，在日本工業標準(JIS)中，稱其為標準封裝晶體振蕩器（SPXO）。現以SPXO為例，簡要介紹一下石英晶體振蕩器的結構與工作原理。

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。石英晶體本身並非振蕩器，它只有藉助於有源激勵和無源電抗網路方可產生振蕩。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於其切割取向。石英晶體諧振器的基本結構、（金屬殼）封裝及其等效電路。

只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產生機械變形振動，此現象即所謂逆壓電效應。當外加電壓頻率等於晶體諧振器的固有頻率時，就會發生壓電諧振，從而導致機械變形的振幅突然增大。溫度補償晶體振蕩器（TCXO）：TCXO是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：

直接補償型

直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振蕩器中與石英晶體振子串聯而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯電容容值相應變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節省印製電路板（PCB）尺寸和空間，適用於小型和低壓小電流場合。但當要求晶體振蕩器精度小於±1pmm時，直接補償方式並不適宜。

間接補償型

間接補償型又分模擬式和數字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度感測元件組成溫度－電壓變換電路，並將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變容二極體上，通過晶體振子串聯電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進行補償。該補償方式能實現±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數字化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之後再加一級模/數（A/D）變換器，將模擬量轉換成數字量。該法可實現自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩定度非常高，但具體的補償電路比較複雜，成本也較高，只適用於基地站和廣播電台等要求高精度化的情況。

在精密TCXO（溫度補償型石英晶體諧振器，具有精度高等特點）的研究開發與生產方面，日本居領先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達20以上，當主流產品降至0.4，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27。而且TCXO的體積縮小了50餘倍乃至100倍。日本京陶瓷公司採用迴流焊接方法生產的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振蕩啟動4ms后即可達到額定振蕩幅度的90％。

金石（KSS）集團生產的TCXO頻率範圍為2-80MHz，溫度從－10℃到60℃變化時的穩定度為±1ppm或±2ppm；數字式TCXO的頻率覆蓋範圍為0.2-90MHz，頻率穩定度為±0.1ppm（－30℃-＋85℃）。日本東澤通信機生產的TCO－935/937型片式直接溫補型TCXO，頻率溫度特性（點頻15.36MHz）為±1ppm/－20-＋70℃，在5V±5％的電源電壓下的頻率電壓特性為±0.3ppm，輸出正弦波波形（幅值為1VPP），電流損耗不足2mA，體積1，重量僅為1g。PiezoTechnology生產的X3080型TCXO採用表面貼裝和穿孔兩種封裝，正弦波或邏輯輸出，在－55℃-85℃範圍內能達到±0.25-±1ppm的精度。中國國內的產品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發有限公司推出的TCXO（32-40MHz）在室溫下精度優於±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率（機械）微調≥±3ppm，電源功耗≤120mw。高穩定度的TCXO器件，精度可達±0.05ppm。

高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究課題。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點：一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難；二是片式封裝后在其迴流焊接作業中，由於焊接溫度遠高於TCXO的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發生變化，若不採限局部散熱降溫措施，難以將TCXO的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，TCXO的技術水平的提高並沒進入到極限，創新的內容和潛力仍較大。

TCXO的應用：石英晶體振蕩器的發展及其在無線系統中的應用，由於TCXO具有較高的頻率穩定度，而且體積小，在小電流下能夠快速啟動，其應用領域重點擴展到移動通信系統。

TCXO作為基準振蕩器為發送通道提供頻率基準，同時作為接收通道的第一級本機振蕩器；另一隻TCXO作為第2級本機振蕩器，將其振蕩信號輸入到第2變頻器。行動電話要求的頻率穩定度為0.1-2.5ppm（－30-＋75℃），但出於成本上的考慮，通常選用的規格為1.5-2.5ppm。行動電話用12-20MHz的TCXO代表性產品之一是VC－TCXO－201C1，採用直接補償方式，由日本金石（KSS）公司生產。

電壓控制晶體振蕩器（VCXO）

電壓控制晶體振蕩器（VCXO），是通過施加外部控制電壓使振蕩頻率可變或是可以調製的石英晶體振蕩器。在典型的VCXO中，通常是通過調諧電壓改變變容二極體的電容量來“牽引”石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制範圍比較寬，實際的牽引度範圍約為±200ppm甚至更大。

如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶體振子所能實現的頻率還要高，可採用倍頻方案。擴展調諧範圍的另一個方法是將晶體振蕩器的輸出信號與VCXO的輸出信號混頻。與單一的振蕩器相比，這種外差式的兩個振蕩器信號調諧範圍有明顯擴展。

在移動通信基地站中作為高精度基準信號源使用的VCXO代表性產品是日本愛普生公司生產的VG－2320SC。這種採用與IC同樣塑封的4引腳器件，內裝單獨開發的專用IC，器件尺寸為12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19。其標準頻率為12～20MHz，電源電壓為3.0±0.3V，工作電流不大於2mA，在－20-＋75℃範圍內的頻率穩定度≤±1.5ppm，頻率可變範圍是±20-±35ppm，啟動振蕩時間小於4ms。金石集團生產的VCXO，頻率覆蓋範圍為10-360MHz，頻率牽引度從±60ppm到±100ppm。VCXO封裝發展趨勢是朝SMD方向發展，並且在電源電壓方面儘可能採用3.3V。日本東洋通信機生產的TCO－947系列片式VCXO，早在90年代中期前就應用於汽車電話系統。

該系列VCXO的工作頻率點是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，頻率溫度特性±2.5ppm/－30-＋75℃，頻率電壓特性±0.3ppm/5V±5％，老化特性±1ppm/年，內部採用SMD/SMC，並採用激光束和汽相點焊方式封裝，高度為4mm。日本富士電氣化學公司開發的個人手持電話系統（PHS）等移動通信用VCXO，共有兩大類六個系列，為適應SMT要求，全部採用SMD封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、Champion技術公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，均是表面貼裝器件，電源電壓為3.3V或5V，可覆蓋的頻率範圍或最高頻率分別為32-120MHz、155MHz、2-40MHz和1－50MHz，牽引度從±25ppm到±150ppm不等。MF電子公司生產的T－VCXO系列產品尺寸為5mm×7mm，曾被業內認為是外形尺寸最小的產品，但這個小型化的記錄很快被打破。目前新推出的雙頻終端機用VCXO尺寸僅為5.8mm×4.8mm，並且有的內裝2隻VCXO。Raltron電子公司生產的VX－8000系。

恆溫控制晶體振蕩器（OCXO）

CXO是利用恆溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恆定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器，其內部結構如圖4所示。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置於恆溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關重要元器件置於恆溫槽中，還有的將石英晶體振子置於內部的恆溫槽中，而將振蕩電路置於外部的恆溫槽中進行溫度補償，實行雙重恆溫槽控制法。利用比例控制的恆溫槽能把晶體的溫度穩定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩定度至少保持在1×10－9。OCXO主要用於移動通信基地站、國防、導航、頻率計數器、頻譜和網路分析儀等設備、儀錶中。

OCXO是由恆溫槽控制電路和振蕩器電路構成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構成的差動串聯放大器，來實現溫度控制的。具有自動增益控制（AGC）的（C1app）振蕩電路，是獲得振蕩頻率高穩定度的比較理想的技術方案。

當OCXO的技術水平有了很大的提高。日本電波工業公司開發的新器件功耗僅為老產品的1/10。在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。該公司使用應力補償切割（SCCut）石英晶體振子製作的OCXO，與使用AT切形石英晶體振子的OCXO比較，具有高得多的頻率穩定度和非常低的相位雜訊。相位雜訊是指信號功率與雜訊功率的比率（C/N），是表徵頻率顫抖的技術指標。在對預期信號既定補償處，以1Hz帶寬為單位來測量相位雜訊。Bliley公司用AT切形晶體製作的NV45A在補償點10Hz、100Hz、1kHz和10kHz處的相位雜訊分別為100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶體製成的同樣OCXO，則在所有補償點上的雜訊性能都優於5dBc/Hz。

金石集團生產的OCXO，頻率範圍為5-120MHz，在－10-＋60℃的溫度範圍內，頻率穩定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指標為±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak頻率控制公司的4895型4.096-45MHz雙恆溫箱控制OCXO，溫度穩定度僅為0.002ppm（2×10－10）/0-75℃；4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率為±0.03ppm/年。如果體積縮小一點，在性能指標上則會有所犧牲。Oak公司生產的10-25MHz表面貼裝OCXO，頻率穩定度為±0.05ppm/0-70℃。PiezoCrystal的275型用於全球定位系統（GPS）的OCXO採用SC切形石英晶體振子，在0-75℃範圍內總頻偏小於±0.005ppm，最大老化率為±0.005ppm/年。Vectron國際公司的CO－760型OCXO，尺寸為25.4mm見方，高12.7mm，在OCXO產品中，體積算是較小的。隨著移動通信產品的迅猛增長，對OCXO的市場需求量會逐年增加。OCXO的發展方向是順應高頻化、高頻率穩定度和低相位雜訊的要求，但在尺寸上的縮小餘地非常有限。

晶體諧振器現已被廣泛使用，很多廠商在考慮成本因素的前提下，甚至用晶體諧振器代替振蕩器。

晶體諧振器常見有3種封裝方式：金屬、陶瓷、玻璃。其中金屬封裝最為常見，玻璃封裝則最為便宜，但含鉛（技術瓶頸）；陶瓷封裝價格介於兩者之間，但技術要求高。

其產品比較成熟的廠家只有少數幾家，如日本京瓷、台灣鴻星、浙江嘉康等。在亞洲市場產銷量較大的中國廠家是浙江東晶電子，還有台灣晶技這兩家的客戶都是日本一線電子廠家如松下電子，SONY等。需要說明的是市場主導產品盒型分為：49S，49SMD，SMDS3225，SMD6035，SMDG8045。

1.外形、結構與圖形符號

在石英晶體上按一定方位切下薄片，將薄片兩端拋光並塗上導電的銀層，再從銀層上連出兩個電極並封裝起來，這樣構成的元件叫石英晶體諧振器，簡稱石英晶體。石英晶體的外形、結構和圖形符號如圖1所示。

2.特性

石英晶體有兩個諧振頻率，即fs和fp，fp略大於fs。當加到石英晶體兩端信號的頻率不同時，它會呈現出不同的特性，如圖2所示，具體說明如下。

 ①當f=fs時，石英晶體呈阻性，相當於阻值小的電阻。

②當fs

③當f≥fp時，石英晶體呈容性，相當於電容。

晶振是電子電路中最常用的電子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z”表示，單位為Hz。晶振的圖形符號如圖3所示。

晶振主要是由晶體和外圍元器件構成的。圖4為晶振的實物外形和內部結構及電路圖形符號和等效電路。

1晶振的型號命名國產晶振型號命名一般由三個部分構成，分別為外殼的形狀和材料、石英片的切片型和主要性能及外形尺寸。

第一部分為外殼的形狀和材料主。J表示金屬殼。

第二部分為石英切片型，用字母表示。F表示為FT切割方式。

第三部分為主要功能和外形尺寸，用數字錶示。5.000表示諧振頻率為5MHz。

因此JF5.000表示採用F切割方式、金屬外殼、諧振頻率為5MHz的諧振晶振。

2晶振的主要參數晶振的主要參數有標稱頻率、負載電容、頻率精度、頻率穩定度等，這些參數決定了晶振的品質和性能。因此，在實際應用中要根據具體要求選擇適當的晶振，如通信網路、無線數據傳輸等系統就需要精度高的晶振。不過，由於性能越高的晶振價格也越貴，所以購買時選擇符合要求的晶振即可。

①標稱頻率。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標註在晶振外殼上。

②負載電容。負載電容是指晶振的兩條引線連接的集成電路（IC）內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。負載電容不同，振蕩器的振蕩頻率不同。但標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。一般來說，有低負載電容（串聯諧振晶體）和高負載電容（並聯諧振晶體）之分。因此，標稱頻率相同的晶體互換時還必須要求負載電容一致，不能輕易互換，否則會造成電路工作不正常。

③頻率準確度。頻率準確度是指在標稱電源電壓、標稱負載阻抗、基準溫度（25℃）以及其他條件保持不變時，晶體振蕩器的頻率相對於其規定標稱值的最大允許偏差，即（fmax-fmin）/f0。

④溫度穩定度。溫度穩定度是指其他條件保持不變時，在規定溫度範圍內晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對於溫度範圍內輸出頻率極值之和的允許頻偏值，即（fmax-fmin）/（fmax+fmin）。

⑤頻率調節範圍。通過調節晶體振蕩器的某可變元件可改變輸出頻率的範圍。

⑥負載特性。其他條件保持不變時，負載在規定變化範圍內晶體振蕩器輸出頻率相對於標稱負載下的輸出頻率的最大允許頻偏。

⑦電壓特性。其他條件保持不變時，電源電壓在規定變化範圍內晶體振蕩器輸出頻率相對於標稱電源電壓下的輸出頻率的最大允許頻偏。

⑧雜波。雜波是指輸出信號中與主頻無諧波（副諧波除外）關係的離散頻譜分量與主頻的功率比，用dBc表示。

⑨諧波。諧波是指諧波分量功率Pi與載波功率P0之比，用dBc表示。

⑩日波動。指振蕩器經過規定的預熱時間后，每隔1h測量一次，連續測量24h，將測試數據按S=（fmax-fmin）/f0計算，得到日波動。

1.用指針萬用表檢測

電阻測量法：將指針型萬用表置於R×10k擋，用表筆接晶體的兩個引腳，測量正常晶體的阻值應為無窮大；若阻值過小，說明晶體漏電或短路。

2.用數字萬用表檢測

電容測量法：晶體在結構上類似一隻小電容，所以可用電容表測量晶體的容量，通過所測和的容量值來判斷它是否正常。