电子测量仪器内石英晶体振荡器校准规范，石英晶体振荡器的基本原理/参数/应用

很多朋友对电子测量仪器内石英晶体振荡器校准规范，石英晶体振荡器的基本原理/参数/应用不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

1、匹配电容-----负载电容是指晶振正常振荡所需的电容。一般采用外接电容，使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。在要求较高的场合，还应考虑IC输入端对地的电容。一般晶振两端连接的电容是所需负载电容的两倍。这样，并联就接近负载电容。

2、负载电容是指电路中晶振两端的外部有效电容之和。它是测试条件和使用条件。在应用中，一般可以通过在给定的负载电容值附近调节来获得准确的频率。该电容器的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。

3. 一般来说，增大负载电容会降低振荡频率，减小负载电容会提高振荡频率。

4、负载电容是指晶振两根引线连接的IC块内外所有有效电容之和。可以看作是电路中晶振的串联电容。不同的负载频率决定了振荡器的振荡频率。标称频率相同的晶振不一定具有相同的负载电容。因为石英晶振有两种谐振频率，一种是串联的低负载电容晶振，一种是并联的高负载电容晶振。因此，互换标称频率相同的晶振时，负载电容必须相同，不能贸然互换，否则电器将无法正常工作。

晶体振荡器旁边的电阻（并联和串联）

电路的输出端串接一个22K的电阻，输出端和输入端之间串接一个10M的电阻。这是因为芯片内部有一个线性运算放大器与晶振相连，将输入反转。 180度输出，晶振处的负载电容和电阻组成的网络又提供了180度的相移，整个环路的相移为360度，满足振荡的相位条件。同时要求晶振的闭环增益大于等于1才能正常工作。

连接到晶体振荡器输入和输出的电阻产生负反馈，以保证放大器工作在高增益线性区，一般在M欧姆级别。输出端的电阻和负载电容组成网络，提供180度相移，同时限制电流。防止逆变器输出过驱动晶振而损坏晶振。

通常使用与晶体串联的电阻来防止晶体被过度驱动。过度驱动晶振的后果是晶振的接触镀层损耗逐渐减少，从而导致频率升高，导致晶振早期失效。它还可用于调节驱动电平。用于调节驱动电平和振动裕度。

Xin和A内部在输入端形成负反馈，构成负反馈放大电路。晶振连接电阻，电阻和晶振的等效阻抗并联。你自己想一想，电阻大还是电阻小对晶振的阻抗影响更大呢？

电阻的作用是给电路内部的反相器添加反馈回路，形成放大器。当晶体放入其中时，反馈环路的交流等效物将根据晶体频率发生谐振。由于晶体的Q值很高，所以电阻也很大。范围的变化不会影响输出频率。以前测试这个电路稳定性的时候，尝试过从100K到20M都能正常开始振荡，但是会影响脉宽比。

晶体的Q值非常高。 Q值是什么意思？晶体的串联等效阻抗为Ze=Re + jXe，Re |jXe|。晶振一般相当于一个Q值非常高的电感，相当于电感。导线电阻非常小。 Q一般达到10^-4的水平。

如果信号太强，请避免损坏晶体。电阻一般都比较大，一般为几百K。

串联电阻用于限制振荡幅度。添加的两个电容根据LZ晶振的几十MHz一般在20~30P左右。它们主要用于微调频率和波形并影响幅度。包含的电阻取决于IC 规格。有些是为了反馈，有些是为了EMI对策。

但换算成并联等效阻抗后，Re越小，Rp越大。为此有一个现成的公式。晶体的等效Rp很大。外部电阻连接到这个Rp，因此Rp值减小----- 增加Re ----- 减小Q

关于晶振

石英晶体振荡器是一种高精度、高稳定度的振荡器。广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各种振荡电路以及数据处理设备的频率发生器和时钟信号的通信系统中。为特定系统提供基线信号。

一、石英晶体振荡器基本原理

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（二氧化硅晶体）的压电效应制成的谐振器件。其基本构成大致如下：将石英晶体按一定方位角切下薄片（简称晶片）。可以是正方形、长方形或圆形等），在其相应的两个表面上涂上银层作为电极，将每个电极上的一根引线焊接到引脚上，加上封装外壳就形成了石英晶体谐振器，简称石英晶体或晶体、晶体振荡器。其产品一般采用金属外壳封装，也有玻璃外壳、陶瓷或塑料外壳。

2、 压电效应

如果将电场施加到石英晶体的两个电极上，晶片将发生机械变形。相反，如果对晶圆的两侧施加机械压力，则会在晶圆的相应方向上产生电场。这种物理现象称为压电效应。如果在晶圆的两个极上施加交流电压，晶圆就会产生机械振动，同时晶圆的机械振动会产生交变电场。一般情况下，晶圆机械振动的振幅和交变电场的振幅都很小，但当外部交流电压的频率达到一定值时，振幅明显增大，远大于所施加的交变电场的振幅。其他频率的振幅。这种现象称为压电谐振，与LC电路的谐振现象非常相似。其谐振频率与晶圆的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

3、 符号和等效电路

当晶体不振动时，可以看作是一个扁平电容器，称为静电电容C。它的大小与芯片的几何尺寸和电极面积有关，一般在几个PF到几十个PF左右。当晶体振荡时，机械振动的惯性可以等效为电感L。一般L的值为几十mH到几百mH。芯片的弹性可以等效为电容C。C的值很小，一般只有0.0002~0.1pF。晶片振动时摩擦产生的损耗相当于R，其值约为100。由于芯片的等效电感很大，C很小，R也很小，所以环路的品质因数Q很大，可达1000~10000。另外，晶圆本身的谐振频率基本上只与晶圆的切割方式、几何形状、尺寸有关，可以精确制作。因此，由石英谐振器构成的振荡电路可以实现较高的频率稳定性。

4、 共振频率

从石英晶体谐振器的等效电路可以看出，它有两个谐振频率，即（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，其等效阻抗最小（等于R）。串联振动频率用fs表示。石英晶体对串联振动频率fs 具有纯电阻性。 (2)当频率高于fs时，L、C、R支路有感性，可接入电容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，可以定性地画出其电抗-频率特性曲线。可见，当频率低于串联谐振频率fs或频率高于并联谐振频率fd时，石英晶体呈电容性。

二、 石英晶体振荡器类型特点

石英晶体振荡器由具有极高品质因数的石英晶体振荡器（即谐振器和振荡电路）组成。晶体的质量、切割取向、晶振的结构、电路形式等，共同决定了振荡器的性能。国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）IEC）将石英晶体振荡器分为四类：普通晶体振荡器（TCXO）、压控晶体振荡器（VCXO）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、恒温控制晶体振荡器（晶振）。目前正在开发的还有数字补偿晶振损耗振荡（DCXO）等。

普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^(-5)~10^(-4)的频率精度，标准频率为1-100MHZ，频率稳定度为100ppm。 SPXO不采用任何温度频率补偿措施，价格便宜，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围为21146mm和53.21.5mm。

压控晶体振荡器（VCXO）的精度在10^(-6)~10^(-5)量级，频率范围为1~30MHz。低容差振荡器的频率稳定性为50ppm。通常用于锁相环。封装尺寸为14103mm。

温度补偿晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿。频率精度达到10^(-7)~10^(-6)量级，频率范围1-60MHz，频率稳定度1~2.5ppm，封装尺寸从303015mm到11.49.63.9毫米。常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。

恒温控制晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路放置在恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。 OCXO的频率精度约为10^(-10)至10^(-8)，对于某些特殊应用甚至更高。频率稳定性是四种振荡器中最高的。

三、 石英晶体振荡器主要参数

晶振的主要参数包括标称频率、负载电容、频率精度、频率稳定性等。不同的晶振有不同的标称频率，大多数标称频率都标注在晶振外壳上。例如，普通晶振常用的标称频率有：48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz~40.50MHz等，有特殊要求的晶振频率可达1000MHz以上，有的无标称频率。如CRB、ZTB、Ja等系列。

负载电容是指晶振两根引线连接的IC块内外所有有效电容之和。可以看作是电路中晶振的串联电容。不同的负载频率决定了振荡器的振荡频率。标称频率相同的晶振不一定具有相同的负载电容。因为石英晶振有两种谐振频率，一种是串联的低负载电容晶振，一种是并联的高负载电容晶振。因此，互换标称频率相同的晶振时，负载电容必须相同，不能贸然互换，否则电器将无法正常工作。

频率精度和频率稳定性：由于普通晶振的性能基本可以满足一般电器的要求，因此高端设备还需要一定的频率精度和频率稳定性。频率精度范围为10^(-4) 至10^(-10)。稳定性范围为1 至100ppm。这就需要根据具体设备需求选择合适的晶振。通信网络、无线数据传输等系统对石英晶体振荡器的要求更高。因此，晶振的参数决定了晶振的质量和性能。在实际应用中，必须根据具体要求选择合适的晶振。因为不同性能的晶振价格不同，要求越高，价格就越贵。一般情况下，选择满足要求即可。

四、 石英晶体振荡器的发展趋势

1、 小型化、薄型化和芯片化：为了适应以手机为代表的轻、薄、短的便携式产品的要求，石英晶振的封装由传统的裸金属外壳覆盖塑料金属变为陶瓷包装。例如，TCXO等器件的尺寸缩小了30至100倍。 SMD封装的TCXO厚度小于2mm，目前市场上有53mm尺寸的器件。

2、 精度高、稳定性好。目前，无补偿晶振的总精度可以达到25ppm。 VCXO的频率稳定度在10~7范围内一般可以达到20~100ppm，而OCXO的频率稳定度在相同范围内可以达到25ppm。温度范围内的频率稳定度一般为0.0001~5ppm，VCXO控制在25ppm以下。

3、 低噪音、高频率。 GPS通信系统不允许出现频率抖动。相位噪声是表征振荡器频率抖动的重要参数。目前主流OCXO产品的相位噪声性能得到了大幅提升。除VCXO外，其他类型晶振的最大输出频率不超过200MHz。例如，GSM等手机中使用的UCV4系列压控振荡器，其频率为6501700MHz，电源电压为2.23.3V，工作电流为810mA。

4、 低功能、快速启动、低电压运行、低电平驱动和低电流消耗已成为趋势。电源电压一般为3.3V。目前许多TCXO 和VCXO 产品的电流损耗不超过2 mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得了突破性进展。例如，日本精工生产的VG-2320SC型VCXO，在0.1ppm的规定值范围内，稳频时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的贴片TCXO，起振后4ms即可达到额定值的90%。 OAK的10-25 MHz OCXO产品在预热5分钟后可达到0.01 ppm的稳定性。

五、 石英晶体振荡器的应用

1、 石英钟最大的优点是时间准确、功耗低、耐用。无论是老式石英钟还是新型多功能石英钟，石英晶体振荡器都是核心电路，其频率精度决定了电子钟的走时精度。从石英晶体振荡器原理示意图来看，V1和V2组成CMOS反相器。石英晶体Q、振荡电容C1和微调电容C2构成振荡系统。这里的石英晶体就相当于一个电感器。振动系统的元件参数决定振动频率。

一般Q、C1、C2为外部元件。另外，R1为反馈电阻，R2为稳振电阻，两者均集成在电路内部。因此，不能通过改变C1或C2的值来调整走时精度。但此时我们仍然可以采用增加电容C的方法来改变振荡系统的参数来调整走时精度。根据电子钟的速度，电容的连接方式有两种：如果时间太快，可将电容C并联在石英晶体两端，如图4所示。

此时系统总电容增大，振荡频率变低，走时减慢。如果走时太慢，可以在晶振支路串联电容C。如图5所示。此时系统总电容减小，振荡频率变高，走时时间增加。只要需要耐心试错，就可以调整走时精度。因此，晶体振荡器可用于时钟信号发生器。

2、 随着电视技术的发展，最近彩电采用500kHz或503kHz晶振作为行路和场电路的振荡源。除以1/3后，得到15625Hz的行频，稳定可靠。性能力大大提高。而且，晶体振荡器价格便宜且易于更换。

3、 在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，也得到了更快的发展。许多高性能石英晶体振荡器主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。

晶振负载电容

晶体元件的负载电容是指电路中晶体两端的外部有效电容之和。指晶振正常振荡所需的电容。一般采用外接电容，使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。在要求较高的场合，还应考虑IC输入端对地的电容。在应用中，一般可以通过在给定的负载电容值附近调节来获得准确的频率。该电容器的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。

晶振负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+C 其中Cd、Cg 分别为晶振两脚和接地的电容，Cic（内部电容）集成电路）+C（PCB上的电容）。也就是说，如果负载电容是15pf的话，两边接27pf就差不多够用了。一般a为6.5~13.5pF。

各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容性三点振荡器。晶振引脚内部通常有一个反相器，或者奇数个反相器串联。晶振输出引脚XO 和晶振输入引脚XI 通过电阻连接。对于CMOS芯片来说，通常在几M欧姆到几十M欧姆之间。很多芯片引脚已经含有这个电阻，所以不需要在引脚外部连接。该电阻用于使逆变器在振荡开始时处于线性状态。反相器就像一个放大器，增益很大，有利于振荡。石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间，相当于一个并联谐振电路。振荡频率应为石英晶体的并联谐振频率。晶振旁边的两个电容接地，实际上是电容三点电路的分压电容，接地点就是分压点。

以接地点，即分压点为参考点，振荡引脚的输入和输出相位相反，但从并联谐振电路的角度来看，即石英晶体的两端，形成正反馈，保证电路持续振荡。在设计芯片时，这两个电容就已经形成了。一般情况下，两个电容器的电容量相等。电容尺寸根据工艺和布局的不同而有所不同，但最终它相对较小，可能不适合较宽的频率范围。外接时大约是几个PF到几个PF。 10 PF，取决于频率和石英晶体的特性。需要注意的是：这两个串联的电容的值在谐振电路上并联，会影响振荡频率。当两个电容相等时，反馈系数为0.5，一般可以满足振荡条件，但如果起振困难或振荡不稳定，可以减小输入端对地电容，增大输出端增加反馈量。

设计注意事项：

1. 晶振、外部电容（如果有）和IC 之间的信号线尽可能短。当非常低的电流通过IC晶振时，如果线路太长，就会对EMC、ESD和串扰非常敏感。此外，长线路还会增加振荡器的寄生电容。

2. 其他时钟线和频繁切换的信号线尽可能远离晶振连接。

3. 注意晶振与地的走线。

4、晶振外壳接地

如果实际负载电容配置不当，首先会导致线路参考频率出现误差。另外，例如在发射和接收电路中，晶振的振荡幅度会减小（不在峰值点），影响混合信号的信号强度和信号噪声。

当波形出现削峰或失真时，可以调节负载电阻（几十K到几百K）。为了稳定波形，并联了1M左右的反馈电阻。高频

以上知识分享希望能够帮助到大家！