石英晶体振荡器石英晶体振荡器是一种用于频率稳定和选择频率的电子器件，它的主要作用是提供频率基准，由于它具有高稳定的物理化学性能、极小的弹性震动损耗以及频率稳定度高的特点，因此被广泛用于远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，是目前其它类型的振荡器所不能替代的.一、石英晶体谐振器的结构、振荡原理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。

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。

二、石英晶体振荡器的等效电路与谐振频率1、等效电路石英晶体谐振器的等效电路如下图所示。

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Co，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L1来等效。

一般L1的值为几十mH 到几百mH。

晶片的弹性可用电容C1来等效，C1的值很小，一般只有0.2fF～100fF(1PF=1000fF)。

晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R1来等效，它的数值约为10-100Ω。

由于晶片的等效电感很大，而C1很小，R1也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。

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。

其中Co：静电容，包括晶体两电极之间的电容和引线及基座带来的电容，它的单位是PF。

L1：等效动电感，即通常说的动态电感；C1：等效动电容，即通常说的动态电容。

晶振的动态电容由晶体的切割型式,大小尺寸决定。

R1：等效电阻，一般叫谐振电阻或者动态电阻。

总之：等效电路由动态参数L1、C1、R1和静电容C组成。

这些参数之间都是有联系的，一个参数变化时可能会引起其他参数变化。

而这些等效电路的参数值跟晶体的切型、振动模式、工作频率及制造商实施的具体设计方案关系极大。

2、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L1、C1、R1支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R1）。

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L1、C1、R1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—频率特性曲线如下图所示。

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。

三、石英晶体谐振器的参数：1)标称频率：一般晶体的标称频率指的是其串接或并接指定负载电容后的谐振频率，即产品上的标志频率。

应当指出，此处的标称频率是当CL等于指定负载电容时利用下面的公式计算出的值。

fc= C12π L1C1C0+CL2)负载电容：负载电容是指与石英晶体振荡器各引脚相关联的总有效电容（包括应用电路内部与外围各电容）之和。

即石英谐振器的负载电容是从该晶振插脚两端向振荡电路方向看进去的全部有效电容。

负载电容与石英谐振一起决定谐振器的工作频率。

通过调整负载电容一般可以将振荡器的工作频率调到标称值。

可以根据具体情况对负载电容作适当调整。

但是必须注意：负载电容大时其杂散电容影响减小，但微调率下降，负载电容小时，微调率增加，但杂散电容影响增加、负载谐振电阻增加，甚至起振困难。

负载电容常用的标准值有13P、16PF、20PF、30PF等。

3)激励功率：激励功率是指石英晶体振荡器工作时所消耗的有效功率。

该值决定电路工作频率的稳定程度。

激励电平常用的标准值有0.05 MW，0.1MW,0.5 MW,1 MW ，2 MW,4MW 。

石英晶片的机械振动的幅度与电流的幅度成正比。

电流通过电阻R 1而耗用功率，因此激励功率可用P=I 2R 1来表示。

4) 谐振电阻：石英晶体振荡器的谐振电阻即通常所说的等效串联电阻（ESR ），它是以欧姆为单位的,从石英振荡器的等效电路中可以看到，当晶振处于谐振状态时动态电感（L 1）和动态电容（C 1）为两个方向相反的阻抗，他们可以相互抵消,剩下电阻（R 1）特性来形成串联谐振，因此定义R 1为等效串联电阻（ESR ）。

等效串联电阻（ESR ）通常表明石英谐振器在连续振荡中阻抗性能的好坏，也直接影响Q 值。

5) 动电容：动态电容即晶振等效电路中的C 1，晶振的动态电容由晶体的切割型式,大小尺寸决定。

动态电容的取值跟晶振的设定频率值有关，动态电容不能取值过大，否则会使晶振的寄生响应（主频率外的其他频率响应）增强而偏离主响应（主频率）。

动态电容C 1的取值影响晶体频率的牵引范围，可用牵引灵敏度表示C 1 对晶体频率的调节能力。

S=-2L 01)C C (2C C 1越大牵引范围越宽，对于用于彩色解码电路的晶体，我们应适当选择C 1较大的晶体，提高晶体的牵引灵敏度，这样可使整机彩色同步引入和保持范围同时加大，但晶体的C 1也不是越大越好，否则会使晶振的寄生响应（主频率外的其他频率响应）增强而偏离主响应（主频率），甚至不起振。

所以当晶体用于彩色解码电路时，若需通过提高C1值改善彩色解码电路的性能，需和晶体厂家共同商定C 1取值，必要时厂家需更改晶体的切割方式和制造工艺。

对C 1要求不高的晶体应用，C 1的取值可由晶体厂家根据晶体的设计和制造工艺设定，这样可保证晶体有较好的可靠性。

6) 静电容：静电容即晶振等效电路中的Co ，包括晶体两电极之间的电容和引线及基座带来的电容，它的单位是PF 。

静电容是石英晶体谐振器并联电容的特性显现,影响它的因素有石英的介电系数, 芯片两电极的面积,及芯片基座的杂散电容量。

7) 工作温度范围 ： 工作温度范围是指石英晶体振荡器正常工作时所允许的最低温度至最高温度（环境温度）。

在实际应用时要确保所使用的晶振工作在其规格书所指明的工作温度范围之内，一旦晶振的实际工作温度不在其工作温度范围之内将会导致该晶振快速失效。

8)温度频差与调整频差：温度频差是指晶体在工作温度范围内的工作频率相对于基准温度下（基准温度一般指25℃±2℃，对温控晶体元件是指控温范围的中点）工作频率的最大偏离值，它用来反映石英晶体振荡器的频率温度特性。

调整频差是指晶体在规定条件下，基准温度时工作频率相对标称频率的允许偏离，反应的是晶体的频率离散性，晶振的调整频差一般情况下用ppm 表示。

晶体的不同切割方式有不同的温度频差特性。

可根据实际要求的频率漂移选择相应切割方式的石英晶体振荡器。

常用的晶体谐振器主要是AT切的BT切型，由于AT切的温度频差更容易控制，因此温度频差要求较严的晶体多选用AT切晶体。

9)晶振的基频：晶振的是基频是指晶片振动在基波时的频率。

四、石英晶体谐振器的封装尺寸和安装方式⑴晶体的切割方式。

晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，可以是圆形或正方形，矩形等。

按切割晶片的方位不同，可将晶片分为AT、BT等多种切型。

不同切型的晶片其特性也不尽相同，尤其是频率温度特性相差较大。

其中AT切割是用特殊的切割角度加工晶体的一种切割方法，用这种切割方法加工的晶体有良好的温度特性，是制造石英晶体元件最常用的方法。

上图是AT切型和BT切型石英晶体谐振器的频率温度特性对比图。

⑵石英晶体谐振器的封装尺寸和安装方式晶体谐振器的型号由三部分组成：第一部分表示外壳形状和材料，如B表示玻璃壳，J表示金属壳，S表示塑封型；第二部分表示晶体切形，常和切形符号的第一个字母相同。

如A表示AT切形；B表示BT切形；第三部分表示主要性能及外形尺寸等，一般用数字表示，有的也用数字与字母混合表示。

如：JA5为金属壳AT切形晶振元件，BA3为波壳AT切形晶振元件。

石英晶体谐振器按封装形式一般分类如下：(主要参考成都仁和晶体封装)插装式：HC-49U型、HC-50U型、HC-49S (同HC-49U/S、HC-49US) 型等贴片式：HC-49S-SMD●HC-49U、HC-49S产品尺寸图：●HC-49S-SMD产品尺寸图：备注：1、HC-49U系列对应我公司型号为JA18A系列，HC-49S系列对应我公司型号为JA18AS系列。

2、不同厂家对应系列的尺寸会略有不同，这里以成都仁和的晶振尺寸为例。

在实际应用中，要根据电路要求，结合晶体工作环境温度和晶体本身频率离散性及制做工艺，确定晶体的温度频偏和调整频偏。

五、石英晶体谐振器的一般应用：1、石英晶体振荡器的分离应用电路：在实际应用中，石英晶体振荡器通常与集成电路相连，作为集成电路的时钟振荡源，下图为石英晶体振荡器的典型分离应用电路。

（以基频振荡为例）在上图中，IC1与IC2为反向器，Rf为负反馈电阻, R1、R2、R3为偏置电阻，C1、C2为晶振的外接电容；电阻Rf为负反馈电阻，调节IC1的工作状态，电阻R1、R2、R3用来提供偏压,调整R2、R3可使反相器IC1与IC2工作在线性范围内。

电路工作时反相器IC1与Rf构成反相放大电路，石英晶体与电容C1、C2构成正反馈支路，由于石英晶体在其固有的谐振频率附近自身呈感性，此电感与晶体内部的C0、C1及负载电容C1、C2构成谐振回路，形成选频移相反馈网络反馈到由反相器IC1与Rf构成的反相放大器输入端，从而产生振荡。

反相器IC2的作用是将IC1输出的正弦波信号整形变换成方波信号输出.石英晶体振荡器的应用十分广泛，在使用石英晶体的时候需要参考具体的应用电路的实际要求及功能等因素，再选用相应规格的晶体及其工作方式，比如需要考虑应用电路的工作频率、电路功能等；2 、晶体在基频和倍频的应用晶振的谐振频率点有多个，分别是基频（基频是指晶片振动在基波时的频率）和倍频（倍频是指晶振处于谐波振荡时的频率，通常谐波振荡时的频率是基频的整数倍）。