今天小编给大家分析石英晶体震荡电路。石英晶体振荡电路 石英晶体谐振器, 简称石英晶体, 具有非常稳定的固有频率。

　　对于振荡频率 的稳定性要求高的电路, 应选用石英晶体作选频网络。

　　一、石英晶体的特点 将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定 的方向切割成很薄的晶片, 再将晶片 两个对应的表面抛光和涂敷银层, 并 作为两个极引出管脚, 加以封装, 就 构成石英晶体谐振器。

　　其结构示意图 和符号如右图所示。

　　1.压电效应和压电振荡 在石英晶体两个管脚加交变电场时, 它将会产有利于一定频率的机械变形, 而这种机械振动又会产生交变电场, 上述物理现象称为压电效应。

　　一般情况下, 无论是机械振动的振幅, 还是交变电场的振幅都非常小。

　　但是, 当交变电场的频 率为某一特定值时, 振幅骤然增大, 产生共振, 称之为压电振荡。

　　这一特定频率 就是石英晶体的固有频率, 也称谐振频率。

　　2.石英晶体的等效电路和振荡频率 石英晶体的等效电路如下图（a）所示。

　　当石英晶体不振动时, 可等效为一个 平板电容 C0, 称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积, 一般约为 几到几十皮法。

　　当晶片产生振动时, 机械振动的惯性等效为电感 L, 其值为几毫 亨。

　　晶片的弹性等效为电容 C, 其值仅为 0.01 到 0.1pF, 因此, C<

　　晶片的 磨擦损耗等效为电阻 R, 其值约为 100Ω, 理想情况下 R=0。

　　当等效电路中的 L、 C、R 支路产生串联谐振时, 该支路呈纯阻性, 等效电阻为 R, 谐振频率 振频率谐振频率 下整个网络的电抗等于 R 并联 C0 的容抗, 因 R<<ω0C0, 故可近似认为石英晶体也 呈纯阻性, 等效电阻为 R。

　　当 f

　　当 f>fs 时, L、C、R 支路呈感性, 将与 C0 产生并联谐振, 石英晶体又呈 谐振频率由于 C<

　　当 f>fP 时, 电抗主要决定于 C0, 石 纯阻性, 谐振频率 英晶体又呈容性。

　　因此, 石英晶体电抗的频率特性如上图所示, 只有在 fs

　　的情况下, 石英晶体才呈现感性； 并且 C0 和 C 的容量相差愈悬殊, fs 和 fP 愈接近, 石英晶体呈感性的频带愈狭。

　　根据品质因数的表达式由于 C 和 R 的数值都很小, L 数值很大, 所以 Q 值高达 104——106。

　　频率稳定度 Δf/f0 可达 10-6——10-8, 采用稳频 -10 -11 措施后可达 10 ——10 。

　　而 LC 振荡器的 Q 值只能达到几百, 频率稳定度只能达到 -5 10 。

　　二、石英晶体正弦波振荡电路 1.并联型石英晶体正弦波振荡电路 如果用石英晶体取代 LC 振荡电路中的电感, 就得到并联型石英晶体正弦波振 荡电路, 如左下图所示, 电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。

　　2.串联型石英晶体振荡电路 如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。

　　电容 Cb 为旁路电容, 对交流信号 可视为短路。

　　电路的第一级为共基放大电路, 第二级为共集放大电路。

　　若断开反 馈, 给放大电路加输入电压是, 极性上“+”下“-”；则 T1 管集电极动态电位为 “+”, T2 管的发射极动态电位也为“+”。

　　只有在石英晶体呈纯阻性, 即产生串 联谐振时, 反馈电压才与输入电压同相, 电路才满足正弦波振荡的相位平衡条 件。

　　所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率 fS。

　　调整 Rf 的阻值, 可使 电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。

　　石英晶体基础知识 1、石英晶体的应用：a、石英钟 b、温度计 c、压力指示器（频率与应力）d、 加速度计 2、晶体的自然面及解理面平行于原子面 3、石英的机械、电气、化学和温度等综合性能，都满足需要电气通讯领域。

　　4、石英生长愈慢、质量愈佳。

　　5、大部分高质量石英晶体产自巴西。

　　6、结晶缺陷：a、晶格空位 b、填隙原子 c、夹杂原子 d、生长位错 7、BT 切比 AT 切片厚 50% 8、现在通讯系统需要较宽温度范围，频率偏移要小。

　　9、典型晶体元件指标： a、工作频率：50MHz b、温度范围：-55——+105℃ c、频率漂移：±50ppm 10、天然石英与培育石英之间差别：a、杂质原子 b、填隙原子 c、晶格空位 11、石英晶体的培育：居里温度点：>573℃ 贝他石英 <573℃ a 石英 12、高压釜典型尺寸 长为 3——5 米；直径：半米或半米以上；壁厚：10——15cm；温度：约 350℃；压 力：约 1400 大气压 结构：六角形 结构：三角形

　　13、石英压电晶体作用：对电气通讯中的载波记号频率进行控制和管理。

　　14、 石英元件实现了压电振子的机械谐振频率同电路之间的耦合。

　　（机电换能器） 15、压电理论： 石英的机械特性与电路是通过压效应来实现耦合的。

　　石英晶体元件在振荡器电路中的功能是划分出等时间间隔，（稳定振荡频率）。

　　一维振动：只要起控制作用的那一维尺寸比其他维尺寸大得多或小得多，那么振 动就能够被看成是近似一维的。

　　活动性下降：在压电振子的温度改变时，偶尔会有一种模的频率与振荡器频率重 合， 所产生的额外能耗减少了振荡 （活动性） 的幅度。

　　这种现象称为活动性下降。

　　当频率远离谐振频率时，石英片等效于简单的平行板电容器。

　　16、为了得到最大的稳定性，晶体元件应工作于最低振幅，即最低的激励电平。

　　17、AT 和 BT 切石英晶体元件的主模频率取决于片子厚度，而大部分寄生模的 频率则取决于侧面尺寸。

　　18、如果非活动带的宽度大于片子厚度 20 倍或 20 倍以上，它也可以成为支撑片 的非活动区。

　　19、减小石英片表面的曲率半径，非谐波泛音模的频率就会向高处移动，而且泛 音频谱也会变得更为疏散。

　　20、修外形对参数的影响： 修整的不多：由于支架引起的阻尼损耗就会有所减少，而且由于寄生模与主模分 开了，等效电阻值就会下降。

　　继续修下去：R 值又会升高，因为振动面积缩小了。

　　L 升高而 C 下降 r=c0/c，也会受影响。

　　大而薄的 AF 片子：r 理论值为 154，测 量值总是大于 154，通过仔细调整与外形有关的电极区尺寸可以获得 r 值低达 190。

　　21、影响谐振器频率稳定性因素：a、使用的原材料不当 b、石英晶片表面层加 工不良 c、表层污染 d、蒸发的银膜层附着性差 22、石英谐振器的失效模式： a、开路（支架脱落、脱锡） b、短路（外壳封装系统机械损伤） c、频率稳定 性差（石英晶片表面清洁处理不良，银膜层附着不牢以及晶片表面加工不佳） 23、石英谐振器可等效成一个 R、L、C 组成的等效电路（在谐振频率附近）， 这些等效参数与很多因素有关，其中电极面积大小即为因素之一。

　　不连续银膜层 使石英晶片电极的有效面积减小，从而影响频率稳定性。

　　24、石英晶片表面的缺陷： 腐蚀时间、温度以及腐蚀液的浓度控制不严，将使石英晶片腐蚀强度过大，造成 石英晶片表面粗糙度大，裂纹多等缺陷。

　　25、银膜表面斑痕是制造工艺中使用的水纯度低所致，通过提高水的纯度，提高 了石英晶片的合格率。

　　26、石英晶片表面的粗糙度对银膜有很大影响，为了保证银膜层的连续性，一定 要严格控制腐蚀工艺。

　　石英晶体是由水热法生长的一种功能材料，有优良的压电性能和光学性 能，物理、化学性能稳定，具有左右旋结构特征，在 0.15——4μm 的范围内，有 较好的透过率。

　　性能指标： 品质因素：> 2.4×106 包裹体 ：I 级, Ia 级 腐蚀隧道密度：< 200/cm2 密度：2.65g/cm3 熔点：1713℃ 莫氏硬度: 7 杨氏模量: 97.2GPa(//Z), 76.5Gpa(⊥Z) 应用范围： 可用作棱镜、滤光片、偏振片、波片、旋光片等，可制成各种体波和声表面 波振荡器、谐振器和滤波器

　　石英晶体谐振器基础知识 石英晶体谐振器基础知识 石英晶体谐振器基础知识 (1)石英晶体谐振器（简称晶振） (1)石英晶体谐振器（简称晶振）的结构 石英晶体谐振器 石英晶体谐振器是利用石英晶体 （二氧化矽的结晶体） 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、陶瓷或塑胶封装的。

　　(2)压电效应 (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 (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 來等效。

　　一般 L 的值为几十 mH 到几 百 mH。

　　晶片的弹性可用电容 C 來等效，C 的值很小，一般只有 0.0002——0.1pF。

　　晶片振 动时因摩擦而造成的损耗用 R 來等效， 它的數值约为 100Ω。

　　由于晶片的等效电感很大， 而 C 很小，R 也小，因此回路的品质因數 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性。

　　(4)谐振频率 (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 a、当 L、C、R 支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于 R）。

　　串联谐振频率用 fs 表示，石英晶体对于串联谐振频率 fs 呈纯阻性。

　　b、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，可定性画出它的频率特性曲线图所示。

　　可见当频率低于串联 谐振频率 fs 或者频率高于并联谐振频率 fd 时，石英晶体呈电容性。

　　仅在 fs＜f＜ fd 极窄的范围内，石英晶体呈电感性。