[科普中国]-石英晶体谐振器

石英晶体谐振器（英文：quartz crystal unit或quartz crystal resonator，常简写成Xtal），简称石英晶体或晶振，是利用石英晶体（又称水晶）的压电效应，用来产生高精度振荡频率的一种电子元件，属于被动元件。该元件主要由石英晶片、基座、外壳、银胶、银等成分组成。根据引线状况可分为直插（有引线）与表面贴装（无引线）两种类型。当前常见的主要封装型号有HC-49U、HC-49/S、GLASS、UM-1、UM-4、UM-5与SMD。

基本概念

压电效应：

对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷.在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系.这种现象称为压电效应.

作用：提供系统振荡脉冲，稳定频率，选择频率.

参数a. 标称频率：在规定条件下，晶振的谐振中心频率.

b. 调整频差：在规定条件下，基准温度时的工作频率相对标称频率的最大偏离值.(ppm)

c. 温度频差：在规定条件下，在整个工作温度范围内，相对于基准温度时工作频率的允许偏离值.

d. 负载谐振电阻：晶振与指定外部电容相串联，在负载谐振频率时的电阻值.

e. 负载电容： 是指与晶振一起决定负载谐振频率的有效外界电容.常用标准值有：12pF 、 16pF 、 20pF 、 30pF.

分类首先说一下石英晶振谐振器。谐振器一般分为插件(Dip)和贴片（SMD）插件中又分为HC-49U、HC-49S、HC-49SS、音叉型（柱状晶振）。HC-49U一般称49U，有些采购俗称"高型"，而HC-49S一般称49S，俗称"矮型"，HC-49SS一般称49SS，俗称（超矮型，通常是2.5mm封装高度），音叉型按照体积分可以分为3*9、3*8、2*6、、1*5、、1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5(0705）、6*3.5(0603）、5*3.2（5032）等等。脚位有4pin和2pin之分。而振荡器也可以分为插件和贴片。插件可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称正方形或者8pin。不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数。振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分，又可分为OSC（普通钟振）、TCXO（温补钟振）、VCXO（压控钟振）、OCXO（恒温钟振）等等。1

泛音上图显示了石英谐振器的模态谱，包括基模，三阶泛音，5 阶泛音和一些乱真信号响应，即寄生模。在振荡器应用上，振荡器总是选择最强的模式工作。一些干扰模式有急剧升降的频率—温度特性。有时候，当温度发生改变，在一定温度下，寄生模的频率与振荡频率一致，这导致了“活动性下降”。在活动性下降时，寄生模的激励引起谐振器的额外能量的消耗，导致Q 值的减小，等效串联电阻增大及振荡器频率的改变。当阻抗增加到相当大的时候，振荡器就会停止，即振荡器失效。当温度改变远离活动性下降的温度时，振荡器又会重新工作。寄生模能有适当的设计和封装方法控制。不断修正电极与晶片的尺寸关系（即应用能陷原则），并保持晶片主平面平行，这样就能把寄生模最小化。

指标标称频率：振荡器输出的中心频率或频率的标称值。

频率准确度：振荡器输出频率在室温（25℃±2℃）下相对于标称频率的偏差。

调整频差：在指定温度范围内振荡器输出频率相对于25℃时测量值的最大允许频率偏差。

负载谐振频率（fL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时（产生谐振）的两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。

静电容：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。

工作温度范围：能够保证振荡器输出频率及其化各种特性符合指标的温度范围。

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（不带隐含基准度）

ftref：频率温度稳定度（带隐含基准温）

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。

负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容，用CL表示。

负载电容系列：8PF 12PF 15PF 20PF 30PF 50PF 100PF

激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW 等

老化率：在确定时间内输出频率的相对变化。

基频：在振动模式最低阶次的振动频率。

泛音：晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。

应用石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/S·SMD、UM-1、UM-5及柱状晶体等。

HC-49U适用于具有宽阔空间的电子产品如通信设备、电视机、电话机、电子玩具中。

HC-49U/S适用于空间高度受到限制的各类薄型、小型电子设备及产品中。

HC-49U/S·SMD为准表面贴装型产品，适用于各类超薄型、小型电脑及电子设备中。

柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子产品如计时器、电子钟、计算器等。

UM系列产品主要应用于移动通讯产品中，如BP机、移动手机等。

石英晶体谐振器主要用于频率控制和频率选择电路。本指南有助于确保不出现性能不满意、成本不合适及可用性不良等现象。

1、 振动模式与频率关系：

基频 1～35MHz

3次泛音 10～75MHz

5次泛音 50～150MHz

7次泛音 100～200MHz

9次泛音 150～250MHz

2、 晶体电阻：对于同一频率，当工作在高次泛音振动时其电阻值将比工作在低次振动时大。

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Ri、R0：仪器内阻：一般为50Ω

R1--滤波器输入端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。

R2--滤波器输出端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。

在滤波器条件的匹配阻抗中有时有并接电容要求，应按上图连接。

3、 工作温度范围与温度频差：在提出温度频差时，应考虑设备工作引起的温升容限。当对温度频差要求很高，同时空间和功率都允许的情况下，应考虑恒温工作，恒温晶体振荡器就是为此而设计的。

4、 负载电容与频率牵引：在许多应用中，都有用一负载电抗元件来牵引晶体频率的要求，这在锁相环回路及调频应用中非常必要，大多数情况下，这个负载电抗呈容性，当该电容值为CL时，则相对负载谐振频率偏移量为：DL=C1/[2（C0+CL）]。而以CL作为可调元件由DL1调至DL2时，相对频率牵引为：

DL1，L2= C1（CL1－CL2）/[2（C0+CL1）（C0+CL2）]。

5、 负载电容的选择：晶体工作在基频时，其负载电容的标准值为20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶体经常工作在串联谐振，在使用负载电容的地方，其负载电容值应从下列标准值中选择：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。

6、 激励电平的影响：一般来讲，AT切晶体激励电平的增大，其频率变化是正的。激励电平过高会引起非线性效应，导致可能出现寄生振荡；严重热频漂；过应力频漂及电阻突变。当激励电平过低时则会造成起振阻力不易克服、工作不良及指标的不稳定。

7、 滤波电路中的应用：应用于滤波电路中时，除通常的规定外，更应注意其等效电路元件的数值和误差以及寄生响应的位置和幅度，由于滤波晶体设计的特殊性，所以用户选购时应特别说明。2

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学