晶体谐振器等效电路，晶体和晶振的区别，负载谐振电阻，负载电容

晶振与晶体的区别

1) 晶振是有源晶振的简称，又叫振荡器。英文名称是oscillator。晶体则是无源晶振的简称，也叫谐振器。英文名称是crystal.

2) 无源晶振（晶体）一般是直插两个脚的无极性元件，需要借助时钟电路才能产生振荡信号。常见的有49U、49S封装。

3) 有源晶振（晶振）一般是表贴四个脚的封装，内部有时钟电路，只需供电便可产生振荡信号。一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式。

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MEMS硅晶振与石英晶振区别

MEMS硅晶振采用硅为原材料，采用先进的半导体工艺制造而成。因此在高性能与低成本方面，有明显于石英的优势，具体表现在以下方面：

1) 全自动化半导体工艺（芯片级），无气密性问题，永不停振。

2) 内部包含温补电路，无温漂，-40—85℃全温保证。

3) 平均无故障工作时间5亿小时。

4) 抗震性能25倍于石英振荡器。

5) 支持1-800MHZ任一频点，精确致小数点后5位输出。

6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多种工作电压匹配。

7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各种精度匹配。

8) 支持7050、5032、3225、2520所有标准尺寸封装。

9) 标准四脚、六脚封装，无需任何设计改动，直接替代石英振荡器。

10) 支持差分输出、单端输出、压控（VCXO）、温补(TCXO)等产品种类。

11) 300%的市场增长率，三年内有望替代80%以上的石英振荡器市场。

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晶体谐振器的等效电路

上图是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。其中：C1为动态电容也称等效串联电容；L1为动态电感也称等效串联电感；R1为动态电阻也称等效串联电阻；C0为静态电容也称等效并联电容。

这个等效电路中有两个最有用的零相位频率，其中一个是谐振频率(Fr)，另一个是反谐振频率(Fa)。当晶体元件实际应用于振荡电路中时，它一般还会与一负载电容相联接，共同作用使晶体工作于Fr和Fa之间的某个频率，这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定，通过改变电路的电抗条件，就可以在有限的范围内调节晶体频率。

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关键参数

4.1 标称频率

指晶体元件规范中所指定的频率，也即用户在电路设计和元件选购时所希望的理想工作频率。

4.2 调整频差

基准温度时，工作频率相对于标称频率的最大允许偏离。常用ppm（1/106）表示。

4.3 温度频差

在整个温度范围内工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离。常用ppm（1/106）表示。

4.4 老化率

指在规定条件下，由于时间所引起的频率漂移。这一指标对精密晶体是必要的，但它“没有明确的试验条件，而是由制造商通过对所有产品有计划抽验进行连续监督的，某些晶体元件可能比规定的水平要差，这是允许的”（根据IEC的公告）。老化问题的最好解决方法只能靠制造商和用户之间的密切协商。

4.5 谐振电阻（Rr）

指晶体元件在谐振频率处的等效电阻，当不考虑C0的作用，也近似等于所谓晶体的动态电阻R1或称等效串联电阻(ESR)。这个参数控制着晶体元件的品质因数，还决定所应用电路中的晶体振荡电平，因而影响晶体的稳定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶体元件的一个重要指标参数。

一般的，对于一给定频率，选用的晶体盒越小，ESR的平均值可能就越高；绝大多数情况，在制造过程中并不能预计具体某个晶体元件的电阻值，而只能保证电阻将低于规范中所给的最大值。

4.6 负载谐振电阻（RL）

指晶体元件与规定外部电容相串联，在负载谐振频率FL时的电阻。对一给定晶体元体，其负载谐振电阻值取决于和该元件一起工作的负载电容值，串上负载电容后的谐振电阻，总是大于晶体元件本身的谐振电阻。

4.7 负载电容（CL）

与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容。晶体元件规范中的CL是一个测试条件也是一个使用条件，这个值可在用户具体使用时根据情况作适当调整，来微调FL的实际工作频率（也即晶体的制造公差可调整）。

但它有一个合适值，否则会给振荡电路带来恶化，其值通常采用10pF、15pF 、20pF、30pF、50pF、∝等，其中当CL标为∝时表示其应用在串联谐振型电路中，不要再加负载电容，并且工作频率就是晶体的（串联）谐振频率Fr。

用户应当注意，对于某些晶体（包括不封装的振子应用），在某一生产规范既定的负载电容下（特别是小负载电容时），±0.5pF的电路实际电容的偏差就能产生±10×10-6的频率误差。因此，负载电容是一个非常重要的订货规范指标。

4.8 静态电容（C0）

等效电路静态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积、晶片厚度和晶片加工工艺。

4.9 动态电容（C1）

等效电路中动态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积，另外还和晶片平行度、微调量的大小有关。

4.10 动态电感（L1）

等效电路中动态臂里的电感。动态电感与动态电容是一对相关量。

4.11 谐振频率（Fr）

指在规定条件下，晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个频率。根据等效电路，当不考虑C0的作用，Fr由C1和L1决定，近似等于所谓串联（支路）谐振频率（Fs）。这一频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数。

4.12 负载谐振频率（FL）

指在规定条件下，晶体元件与一负载电容串联或并联，其组合阻抗呈现为电阻性时两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，FL是两个频率中较低的那个频率；在并联负载电容时，FL则是其中较高的那个频率。对于某一给定的负载电容值(CL)，就实际效果，这两个频率是相同的；

而且这一频率是晶体的绝大多数应用时，在电路中所表现的实际频率，也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数。

4.13 品质因数（Q）

品质因数又称机械Q值，它是反映谐振器性能好坏的重要参数，它与L1和C1有如下关系：Q=wL1/R1=1/wR1C1

如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且还会导致频率不稳定。反之Q值越高，频率越稳定。

4.14 激励电平（Level of drive）

是一种用耗散功率表示的，施加于晶体元件的激励条件的量度。所有晶体元件的频率和电阻都在一定程度上随激励电平的变化而变化，这称为激励电平相关性（DLD），因此订货规范中的激励电平须是晶体实际应用电路中的激励电平。

正因为晶体元件固有的激励电平相关性的特性，用户在振荡电路设计和晶体使用时，必须注意和保证不出现激励电平过低而起振不良或过度激励频率异常的现象。

4.15 激励电平相关性（DLD）

由于压电效应，激励电平强迫谐振子产生机械振荡，在这个过程中，加速度功转化为动能和弹性能，功耗转化为热。后者的转换是由于石英谐振子的内部和外部的摩擦所造成的。

摩擦损耗与振动质点的速度有关，当震荡不再是线性的，或当石英振子内部或其表面及安装点的拉伸或应变、位移或加速度达到临界时，摩擦损耗将增加。因而引起频率和电阻的变化。

加工过程中造成DLD不良的主要原因如下，其结果可能是不能起振：

1) 谐振子表面存在微粒污染。主要产生原因为生产环境不洁净或非法接触晶片表面；

2) 谐振子的机械损伤。主要产生原因为研磨过程中产生的划痕。

3) 电极中存在微粒或银球。主要产生原因为真空室不洁净和镀膜速率不合适。

4) 装架是电极接触不良；

5) 支架、电极和石英片之间存在机械应力。

4.16 DLD2(单位：欧姆)

不同激励电平下的负载谐振电阻的最大值与最小值之间的差值。(如：从0.1uw~200uw,总共20步)。

4.17 RLD2(单位：欧姆)

不同激励电平下的负载谐振电阻的平均值<与谐振电阻Rr的值比较接近，但要大一些>。(如：从0.1uw~200uw,总共20步)。

4.18 寄生响应

所有晶体元件除了主响应（需要的频率）之外，还有其它的频率响应。减弱寄生响应的办法是改变晶片的几何尺寸、电极，以及晶片加工工艺，但是同时会改变晶体的动、静态参数。

寄生响应的测量

1) SPDB 用DB表示Fr的幅度与最大寄生幅度的差值；

2) SPUR 在最大寄生处的电阻；

3) SPFR 最小电阻寄生与谐振频率的距离，用Hz或ppm表示。

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晶体振荡器的分类

5.1 Package石英振荡器（SPXO）

不施以温度控制及温度补偿的石英振荡器。频率温度特性依靠石英振荡晶体本身的稳定性。

5.2 温度补偿石英振荡器（TCXO）

附加温度补偿回路，减少其频率因周围温度变动而变化之石英振荡器。

5.3 电压控制石英振荡器（VCXO）

控制外来的电压，使输出频率能够变化或调变的石英振荡器。

5.4 恒温槽式石英振荡器（OCXO）

以恒温槽保持石英振荡器或石英振荡晶体在一定温度，控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器。

除了以上四种振荡器外，随着PLL、Digital、Memory技术的应用，其他功能的多元化石英振荡器也快速增加。

晶振百晓通：晶振技术指标+等效电气特性

晶振是生活中常用器件，许多重要的电子设备对晶振均有所依赖。为增进大家对晶振的了解，本文将对晶振的技术指标以及晶振等效电气特性予以讲解。如果你对本文内容存在一定兴趣，不妨继续往下阅读。

一、晶振简介

晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。

晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。

由于石英晶体物理性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电。。的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。

二、晶振的技术指标

总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。

说明：总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如：精密制导雷达。

频率稳定度：任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图2。图中表现出频率不稳定的三种因素：老化、飘移和短稳。

曲线1是用0.1秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳;曲线3是用100秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移;曲线4 是用1天一次测量的情况。表现了晶振的老化。

频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。

ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)

ftref =±MAX[|(fmax-fref)/fref|，|(fmin-fref)/fref|]

ft：频率温度稳定度(不带隐含基准温度)

ftref：频率温度稳定度(带隐含基准温度)

fmax ：规定温度范围内测得的最高频率

fmin：规定温度范围内测得的最低频率

fref：规定基准温度测得的频率

说明：采用ftref指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用ft指标的晶体振荡器，故ftref指标的晶体振荡器售价较高。

开机特性(频率稳定预热时间)：指开机后一段时间(如5分钟)的频率到开机后另一段时间(如1小时)的频率的变化率。表示了晶振达到稳定的速度。这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用。

说明：在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和关机，这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到(尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，当要求频率温度稳定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作为本振，频率稳定预热时间将不少于5分钟，而采用MCXO只需要十几秒钟)。

频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率(如±10ppb/天，加电72小时后)，或规定的时限内最大的总频率变化(如：±1ppm/(第一年)和±5ppm/(十年))来表示。

晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构工艺缺陷等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳定，一种叫“应力补偿”的晶体切割方法(SC切割法)使晶体有较好的特性。

污染物和残留气体的分子会沉积在晶体片上或使晶体电极氧化，振荡频率越高，所用的晶体片就越薄，这种影响就越厉害。这种影响要经过一段较长的时间才能逐渐稳定，而且这种稳定随着温度或工作状态的变化会有反复——使污染物在晶体表面再度集中或分散。因此，频率低的晶振比频率高的晶振、工作时间长的晶振比工作时间短的晶振、连续工作的晶振比断续工作的晶振的老化率要好。

说明：TCXO的频率老化率为：±0.2ppm～±2ppm(第一年)和±1ppm～±5ppm(十年)(除特殊情况，TCXO很少采用每天频率老化率的指标，因为即使在实验室的条件下，温度变化引起的频率变化也将大大超过温度补偿晶体振荡器每天的频率老化，因此这个指标失去了实际的意义)。OCXO的频率老化率为：±0.5ppb～±10ppb/天(加电72小时后)，±30ppb～±2ppm(第一年)，±0.3ppm～±3ppm(十年)。

短稳：短期稳定度，观察的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。

晶振的输出频率受到内部电路的影响(晶体的Q值、元器件的噪音、电路的稳定性、工作状态等)而产生频谱很宽的不稳定。测量一连串的频率值后，用阿伦方程计算。相位噪音也同样可以反映短稳的情况(要有专用仪器测量)。

重现性：定义：晶振经长时间工作稳定后关机，停机一段时间t1(如24小时)，开机一段时间t2(如4小时)，测得频率f1，再停机同一段时间t1，再开机同一段时间t2，测得频率f2。重现性=(f2-f1)/f2。

频率压控范围：将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量。

说明：基准电压为+2.5V，规定终点电压为+0.5V和+4.5V，压控晶体振荡器在+0.5V频率控制电压时频率改变量为-2ppm，在+4.5V频率控制电压时频率改变量为+2.1ppm，则VCXO电压控制频率压控范围表示为：≥±2ppm(2.5V±2V)，斜率为正，线性为+2.4%。

压控频率响应范围：当调制频率变化时，峰值频偏与调制频率之间的关系。通常用规定的调制频率比规定的调制基准频率低若干dB表示。

说明：VCXO频率压控范围频率响应为0～10kHz。

频率压控线性：与理想(直线)函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。

说明：典型的VCXO频率压控线性为：≤±10%，≤±20%。简单的VCXO频率压控线性计算方法为(当频率压控极性为正极性时)：

频率压控线性=±((fmax-fmin)/ f0)&TImes;100%

fmax：VCXO在最大压控电压时的输出频率

fmin：VCXO在最小压控电压时的输出频率

f0：压控中心电压频率

单边带相位噪声￡(f)：偏离载波f处，一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。

输出波形：从大类来说，输出波形可以分为方波和正弦波两类。

方波主要用于数字通信系统时钟上，对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。

随着科学技术的迅猛发展，通信、雷达和高速数传等类似系统中，需要高质量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。因为一个带有寄生调幅及调相的载波信号(不干净的信号)被载有信息的基带信号调制后，这些理想状态下不应存在的频谱成份(载波中的寄生调制)会导致所传输的信号质量及数传误码率明显变坏。所以作为所传输信号的载体，载波信号的干净程度(频谱纯度)对通信质量有着直接的影响。对于正弦波，通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。

三、晶振的等效电气特性

1、 概念

(1)晶片，石英晶体或晶体、晶振、石英晶体谐振器

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片。

(2)晶体振荡器

在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。

2、晶振等效电路

图1 展示了晶振等效的电路。R是ESR串联等效阻抗，L和C分别是晶振等效电感和等效电容。Cp是晶振的伴身电容，其极性取决于晶振的极性。

图2 是晶振的电抗频谱线方程

根据方程，当晶振工作在串联谐振状态下时，电路就似一个纯电阻电路，感抗等于容抗(XL=XC)。串联谐振的频率为：

当晶振工作在并联谐振模式时，晶振表现为感性。该模式的工作频率由晶振的负载决定。对于并联谐振状态的晶振，晶振制造商应该指定负载电容CL。在并联谐振模式下，电抗线中fs到fa的斜线区域内，通过调整晶振的负载，如图2，晶振都可以振荡起来。

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