石英晶振的原理與電路組成設計

通過調整負載電容，就可以將振蕩電路的工作頻率調整到標稱值。負載電容選用要合理，電容太大時，雜散電容影響減小，但微調率下降; 容值太小時，微調率增加，但雜散電容影響增加、負載諧振電阻增加， 甚至起振困難。

2 、激勵電平。一般取70 -100uA 為佳，用激勵功率表示時，一般取1 -100uW 為佳。激勵電平的大小直接影響石英諧振器的性能，所以電路設計者一定要嚴格控制石英諧振器在規定的激勵電平下工作，以便充分發揮石英諧振器的特點。一般來講，激勵電平偏小對于長穩有利，激勵電平稍大對于短穩有利。但是激勵電平太大，石英片振動強，振動區域溫度升高，石英片內產生溫度梯度，會使頻率穩定度降低;激勵電平過大，由于機械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移，使頻率產生永久性的變化，甚至有時會把石英片振壞;激勵電平過大，會使等效電阻增加，Q 值下降，電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規則;激勵電平過大，容易激起寄生振動，同時還會使老化變大。當然，激勵電平過低也會使信噪比變小而影響短期穩定度，激勵電平太低，諧振器不易起振，影響工作的穩定和可靠性。所以諧振器使用應根據不同的要求嚴格控制激勵電平，更不能為了增大輸出而隨意提高激勵電平。

3 、頻率溫度特性。

三、石英振蕩電路的組成與設計

石英振蕩電路的形式很多，但基本電路只有兩類：

并聯晶體振蕩器和串聯晶體振蕩器。前者石英晶體是以并聯諧振的形式出現，而后者則是以串聯諧振的形式出現。石英振蕩電路主要由IC、石英諧振器XTAL 、電阻、PCB 等組成，下面對各組成部分做簡單說明：

1、IC:可根據實用的需要任意選用，如CMOS 反向器IC;專用振蕩IC;大規模的數字IC 中自備石英振蕩門。

2 、負載特性：振蕩電路(除去CRYSTAL) ,具有一個負阻特性(用網絡頻譜分析儀) ,振蕩電路負阻值(絕對值) 必須大于3 倍的CRTSTAL 電阻值( CRYS2TAL ESR/ RR) ,振蕩電路才可以穩定的振蕩。

3 、電容：可根據用戶的需要選用片式或傳統結構的產品，但是應注意選擇適用于高頻的、低損耗的，選用NP0 系列的溫度系數產品。

電阻：在選擇尺寸的同時需注意功耗的滿足。

4 、PCB :注意能滿足高頻的使用場合和注意盡量降低線路的分布參數，大面積接地和一點式接地方案的采納。有必要的時候應注意EMI 的防護。

5 、石英諧振器XTAL :頻率大于1MHz 的諧振器應選用ATMODE ,可根據用戶的需要選擇合適的外形尺寸和封裝的晶體。主要電性指標： FL 、ESR 的CLOCK需要選用FL 及公差，并按Cg/ Cd 值，計算而得CL =

6 、ESR :單位Ω，工作溫度范圍的頻率公差。

正確的選取Cg/ Cd 的值將有利于振蕩電路的工作穩定，并能使振蕩頻率滿足使用的CL K 要求。其選取的步驟如下：

(1) 首先應該按照- R 的需要選擇Cg/ Cd ,在滿足TS 的情況下應盡量小些，保持較高的- R 以保證振蕩的穩定性。當無法滿足- R 要求時應考慮對IC 的特性重新評價、選擇。

(2) Rf 值選取：取用的XTAL 為基本波的時候，Rf選用1MΩ;3RD 模式的XTAL 時須考慮截止頻率必須界于基頻與3RD 的中間以保證3RD 工作正常為原則，通常Rf 阻值在2 - 15KΩ 間。

(3) 為了避免對XTAL 的過激勵而影響電路的正常工作，建議采用Rr 以控制XTAL 的激勵功率;其數值視頻率高低可在33 - 68Ω間選取。

(4) 對于有EMI 要求的振蕩電路設計中必須選取SEAM 焊封4PAD 的晶體諧振器，同時賦予合理接地方式，可滿足EMI 防護的需求。

四、發展趨勢

石英產品與其它的電子器件同樣朝著輕薄短小演進。石英產品從1990 年開始朝著SMD 的方向發展，1998 年開始又向小型SMD 的方向發展，因此輕薄短小的競爭也就從此白熱化起來。隨著CPU 的運轉速度的加快，石英諧振器和石英振蕩器的高頻化進程也在加快。在石英水晶的壓電效應發展至今，將進入重要的頻率控制組件發展的新紀元。