-
晶振基础知识（第一版）
< br>摘要：
本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的
分类，晶体振荡
器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。<
/p>
一、振荡电路的定义，构成和工作原理
.
.....................................
..................................................
........... 2
二
.
晶体振荡器分类：
.
..............................................
..................................................
............................. 16
三、石英晶体谐振器主要参数指标
.
.......................................
..................................................
............... 19
四、石英晶体振荡器主要参数指标
.
.......................................
..................................................
............... 20
五．石英晶体基本生产工艺流程
.<
/p>
........................................
..................................................
.................. 26
一、振荡电路的定义，构成和工作原理
1.
振荡器：
不需外加输入信号，便
能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。
2.
振荡器构成：
谐振器（选频或滤波）
+
驱动（谐振）电路构成振荡器电路。
3. <
/p>
谐振器的种类有
：
RC
< br>谐振器，
LC
并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐
振器，原子谐振
器，
MEMS
（硅）振
荡器。本文只讨论石英晶体谐振器。
石英谐振器的结构
石英谐振器，它由
石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。它的性能与晶片的切割方式、尺寸、
电极的设
置装架形式，以及加工工艺等有关。其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问
题。由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数，因此只有沿
某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。
Quartz
blank
Cover
Electrodes
Bonding
area
Mounting
clips
Seal
Pins
Base
Resonator
plate substrate
(the “blank”)
Metallic
electrodes
Top view of cover
普通晶振内部结构
石英晶体振荡器主
要由基座、晶片、
IC
及外围电路、陶瓷基板（
DIP
OSC
）
、上盖组成。
胶点
基座
IC
晶片
Bonding
线
普通晶体振荡器原理图
4.
振荡电路的振荡条件
：
（
1
）振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅
值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度
的大小并研究振幅的稳定。
< br>
（
2
）相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器
的工作频率和频率的稳定。
（
3
）振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线
性电路。
（
4
）振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。
（
5
）振荡
器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。
（
6
）利用
自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。
5.
振荡器电路分类
正弦波
（谐波振
荡器）
振荡器
正反馈
负阻式
非正弦波
自激振荡
器
考毕兹振荡器
LC
振荡器
三点式振荡器
哈特莱振荡器
克拉泼振荡器
改进三点式振荡器
西勒振荡器
串联型
布特勒
晶体振荡器
皮尔斯振荡器
并联型
密勒振荡器
导前型
移相式
RC
振荡器
滞后型
RC
串并联网络（文氏桥型）
对称式多
正反馈
谐振荡器
多谐振荡器
弛张振荡
（矩形波）
器
非对称式
正反馈
多谐振荡
单管互感耦合
LC
振荡<
/p>
器
差分对管
L
C
振荡器
他激振荡
器（脉冲
< br>整形）
器
环形振荡
器
施密特多
谐振荡器
石英晶体多谐振荡器
施密特触发器型
电容交叉充、放电型
压控振荡器
定时器型
晶体压控振荡器
门限比较器
比较器
迟滞比较器（施密特触
发器）
单稳态触发
器
延迟负反馈
延迟负反馈
正反馈
反馈型振荡器的原理框图如图
5.1
所示。
由图可见
,
反馈型振荡器是由放大器
和反馈网络组成的一
个闭合环路
,
放
大器通常是以某种选频网络
(
如振荡回路
)
作负载
,
是一调谐放大器
,
反馈网络一般
是由无源器件组成的线性网络。
?
?
?
?¤
??
U
¤
i
＋
?
U
¤
i
A
U
¤
o
U
¤
f
?¤
F
6.
反馈式振荡器工作原理：
6.1
起振条件：振幅：
A·
F>1(U
f
>U
i
)
相位：
φ
Σ
=φ
Σ
+φ
Σ
+φ
Σ
=2n
π
,
6.2
平衡条件
:
振幅：
A·
F=1(U
f
=U
i
)
,
相位：
φ
Σ
=φ
Σ
+φ
Σ
+φ
Σ
=2n
π
?
F
?
A
|
P
?
F
|
P
?
0
(A
为平衡点<
/p>
)
；
相位：<
/p>
6.3
稳定条件
:
幅度：
A
?
U
i
?
U
i
?
?
|
P<
/p>
?
0
?
?
根据振荡条件，振荡器应包括放大器、选频网络、反馈网络。
选频网络不同可以有
LC
并联谐振回路
、
RC
选频网络、晶体滤波器等。
7. LC
正弦振荡器
凡采用
LC
谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称
为
LC
正弦波振荡器。
7.1
单管互感耦合
LC
振
荡器
1)
电路
2)
工作原理
3)
结论
i)
是否可能振荡，取决于变压器正确的同名端标向
ii)
是否能起振，取决于变压器是否有足够的耦合量
，
iii)
正反馈系数
7.2
差分对管互感耦合
LC
振荡器
1)
电路
2)
工作原理
3)
电路特点
i) LC
回路与负载
R
2
分开，彼此隔离
，
R
2
不会影响<
/p>
LC
回路
Q
值，
所以振幅、频率稳定
ii)
差分对管基极均为零电位，故输出波形好，失真小
7.3
三点式振荡器
1
、定义：用
LC
并联谐振回路作为选频和移相网络的振荡器
LC
回
路有三个抽头，分别与晶体管三个电极相连
2
、构成原则
:
从相位平衡条
件判断下图（
a
）三端式振荡器能否振荡的原则为：
(1)
X1
和
X2
的电抗性质相同；
(2)
X3
与
X1
、
X2
的电抗性质相反。
即
“
射同余
异
”
，对于场效应管，为
“
源同余异
”
，
集成运放三点式与同相端相连为同性抗，不与同相端相连为异
性抗
因此三端式振荡器有两种基本电路：
（
b
）电容反馈振荡器，也称为考必兹
(Colpitts)
振荡器
（
c
）电感反馈振荡器，也称哈特莱
(Har
tley)
振荡器。
电容反馈振荡器与电感反馈振荡器的比较：
< br>（
a
）两种线路都简单，容易起振。
（
b
）电容反馈振荡器的工作频
率可以较高。
（
c
< br>）电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。
（
d
）改变电容能够调整振荡器的工作频率。
对于电容三点式振荡器：当温度变化引起
C
1
、
C2
变化时，将导致振荡器频率漂
移。因此该电路频
率稳定度会受影响。
7.4
改进式三点式振荡器
（
a
）
克拉泼振荡电
路：
在电容三点式振荡电路的电感支路上串进了一个小电容
C3
而构成的，
该电
路称为串联型电容三点
式振荡电路，又称克拉泼振荡电路。
改进后，
C
1
和
C
2
的变化就难以影响到振荡器的振荡频率。因此克拉泼振
荡器的频率稳定度好。
（
b
）西勒电路：电路主要特点
,
就是电感支路上
串进了一个小电容
C
3
,
同时电感
L
并联一可变电容
C
4
，
8.
晶体振荡器
石英晶体振荡器的结构和基本工作原理
（
a
）
.
石英晶体振荡器：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，
再
加上驱动电路构成的振荡器。
（
b
）
国际电工委员会（
IEC
）将石英晶体振荡
器分为
4
类：普通晶体振荡（
SPXO
）
，电压控制式
晶体振荡器（
VCXO
）
，温度补偿式晶体振荡（
TCXO
）
，恒温控制式晶体振荡（
OCXO
）
。
（
c
）
石英晶体谐振器等效电路：
C
0
：静态
电容
C
1
：动态电容
L
1
：动态
电感
R
1
：谐振电阻
C
L
:
负载电容
从石英晶体谐振器的等效电路导出石英晶体的总电抗（忽略
R
1
）
：
1
ω
2
L
1
C
1
?
1
X
?
·
< br>2
ω
C
0
?
C
1
?
ω
L
1
C
0
C
1
分子为零和分母为零时，它分别有两个
谐振频率，即
（
1
< br>）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，
fs(<
/p>
串联谐振频率
)
：由
L1C1
串联谐振晶体本身的谐振频率。
f
s
?
1
2
π
L
1
C
1
（
2<
/p>
）当频率高于
fs
时
L1
、
C1
、
R1
支路呈感性，可与电容
C0
。
发生并联谐振，其并联频率用
fp
表示。
fp(
并联谐振（负载）频率
)<
/p>
：在规定条件下，晶体与一个负载电容相串联或相并联，由
L1
、
C1
、
Co
并联谐振其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。
f
p
?
1
C
0
C
1
2
π
L
1
C
0
?
C
< br>1
由于
C0
< br>远远大于
C1
。所以：
下图为石英晶体谐振器电抗
-
频率特性曲线<
/p>
X
感
感
O
f
s
f
p
f
感
感
当频率在
fs
和
fp
之间，石英晶体呈感性
;
在其他频率下，石英晶体呈容性。石英晶体谐振器就是利
用
fs
与
fp
之间的等效电感与其负载电容来确定振荡频率的。
f
s
与
f
p
之间的范围很窄
，对于工作频
率为几兆赫的石英晶体谐振器来说，它只有几十到几百赫。
通常石英晶体所给的标称频率
f
N
既不是
f
s
也不是
f
p
而是外接负载电容
C
L
后校正的振荡频率。
< br>
由于石英晶体的品质因数
Q
可
以如下式来计算：
因此石英晶体的
品质因数
Q
很大，可以达到
105
～
108
，因而石英晶体的频率选择性很好
，从而使
石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度十分高。
<
/p>
根据晶体在电路中的作用
,
可以将晶体振
荡器归为两大类
:
并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。
8.1 <
/p>
串联型晶体振荡器
：又被称为布特勒振荡器。是将石英晶振用于正
反馈支路中，利用其串联谐
振时等效为短路元件，
电路反馈作用
最强，
满足振幅起振条件，
使振荡器在晶振串联谐振频率
f s
上
起振。
这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。
8.2
并联型晶体振荡器
（
a
）皮尔斯振荡器
石英晶体
等效电容三点式（考必兹）中的电感。从相位平衡条件出发来分析，这个电路的振荡频率
必然在石英晶体的串联谐振频率
f
s
与
并联谐振频率
f
p
之间。
该电路有以下特点：
(1)
振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。
(2)
振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本身
的参数具有高度的稳定性。
(3)
由于振荡频率
f
0
一般调谐在标称频率
f
N
上，位于晶振的感性区间，电抗曲
线陡峭，稳频性能极
好。
(4) <
/p>
由于晶振的
Q
值和特性阻抗
r
都很高，
所以晶振的谐振电阻也很高，
一般可达
1010W
以上。
这
样即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗
仍很大，使晶体管的电压增
益能满足振幅起振条件的
要求。
（
b
）密勒振荡器
石英晶体等效电感三点式（哈特莱）中的一个电感
9. RC
振荡电路：
RC
振荡器是利用电阻、电容网络作为选频网络或反馈网络的振荡器。可分为
RC
移相振荡器、
RC
选频振荡器。
非正弦振荡器
以上讨论的均为正弦波振荡器
,
通常除
了正弦输出，还会有
CMOS
输出，
T
TL
输出，
ECL
输出的需
求。这些时候通常需要振荡器输出是一个方波或矩形波。
非正弦波（方波）输出通常可以分为两大类：自激振荡器和他
激振荡器。自激振荡器不需要外加输
入信号，只要接通供电电源，就自动产生矩形脉冲信
号。而他激振荡器需要输入其他形状的周期信
号（正弦波）
，通
过脉冲整形电路，将其他周期性信号变换为要求的矩形脉冲信号。
自激振荡器电路：
10.
多谐振荡器（矩形波）
是一种矩形波产生电路
.
这种电路不需要外加
触发信号
,
便能连续地
,
周期性地自行产生矩形脉冲
.
该
< br>脉冲是由基波和多次谐波构成
,
因此称为多谐振荡器电路
.
10.1
弛张振荡器（无选频网络）
（
a
）对称式多谐振荡器
(b)
非对称式多谐振荡器
(c)
环形振荡器
(d)
施密特多谐振荡器
10.2
石英晶体多谐振荡器
电阻
R1
、
R2
的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。
对
TTL
反相器，常取
R1
＝
R2
＝
R
＝
0.7 k
Ω
～
2k
Ω
，
而对于
CMOS
门，
则常取
R1
＝
R2
＝
R
＝
10k
Ω
～
100k
Ω
；
C1
＝
C2
＝
C
是
耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率
f0
时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。
<
/p>
振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率
f
0
11
压控振荡器
11.1
施密特触发器型压控振荡器
11.2
电容交叉充、放电型压控振荡器
11.3
定时器型压控振荡器
11.4
晶体压控振荡器
晶体压控振荡器是通
过调节（控制脚）电压，使振荡器输出频率变化的振荡器，主要是通过变
容二极管（
Vd
）的电容的变化，使晶体谐振器的振荡频率发生变化。
变容二极管是一种随电压变化，
容量有一定变化的二极管。
变容二极管有正变容二极管
（电压变高，
容量变高）
，
和负变
容二极管
（电压变高，
容量变低）
。<
/p>
目前
HOSONIC
公司
DIP
VCXO
、
SMD
VCXO
均为负变容二极管。
他激振荡器电路（脉冲整形）：
12.
比较器整形电路
12.1
门限比较器
12.2
迟滞比较器（施密特触发器）
13.
单稳态触发器整形电路
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