晶体振荡电路理论分析

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1、目录晶体振荡电路理论分析2题记3晶体3晶体的本质及压电特性3决定晶体固有频率的因素4晶体的等效电路4晶体的电抗特性5晶体的并联谐振与串联谐振6振荡电路基础7振荡电路起振条件7RC、LC、石英晶体振荡电路简述8晶体振荡电路分析9晶体振荡电路起振条件分析10晶体振荡电路用作芯片时钟时的电路分析11晶体振荡电路设计、测试相关问题14晶体资料关键参数解读14电容选取的原则14Rx、Rp选取的原则14测试需注意的问题15答疑解惑16晶体和晶振16谐振和振荡17品质因数的定义、公式推导17…………17晶体振荡电路理论分析李森2005.12.4题记这段时间，

2、我司晶体振荡电路的生产故障出现得比较多，对这些故障大家都有一些自己的看法和解释，认为故障误判的，认为负载电容选择不恰当的，甚至有认为焊接时高温损坏晶体的。众说纷纭。通过上次电源通信两组组内交流，我受益颇多，不但快速地了解了问题的现象，而且启发我深入思索问题的本质。上次交流会遗留了许多问题，带着对问题的思索和解决问题的欲望，我通过查找各方资料，分析理解各种资料，然后对其中一些问题获得了合理解释。因此写作此文，跟大家交流！晶体晶体的本质及压电特性我们所看到的晶体就其物理本质来说就是“石英晶片+电极+辅助材料+封装”构成的一类电子元件。它最核心的部分

3、当然是石英晶片，具备压电特性。石英晶片的化学本质就是SiO2。为各向异性的结晶体。将一块石英晶体以一定的方位角切成晶片，在晶片两极涂上银层作为电极，焊上引线并加附着材料让其固定，加上外壳就形成一个石英晶体。压电特性是指在具备压电特性材料的两端加上电场，材料会发生机械形变。反之，若给该材料施加机械压力，又会在相应的方向产生电场。压电特性的微观本质是材料构成上的正、负电荷中心不再重叠，发生偏移。以石英晶体为例，作如下图示说明：如上图所示，晶片的机械振动会产生在晶片的两电极面间产生交变电场，而两电极面之间的交变电场也会使晶片产生机械振动。这就是压电效

4、应。通常情况下，这种压电效应是极其微弱的。只有在交变电场的频率与晶片的固有频率一致时，两者产生共振，机械振动幅度最大，交变电场幅度也达到最大。两者的频率一致，同为晶体的固有频率。因此石英晶体具有选频特性，而且这种选频特性非常优良，振动频率偏移固有频率一点点都会导致幅度大为下降。因而频率非常稳定，石英晶体谐振器，振荡器，滤波器等等绝大部分的石英晶体应用场合所利用的就是它的超强的频率稳定性。决定晶体固有频率的因素晶体的固有频率跟晶片自身的特性有关和一些能影响晶片特性的外界因素（如温度，老化程度）有关，一个晶体在出厂后，其固有频率取决于晶体的切割方法

5、，切割角度，晶片的面积，形状，厚度等。在具体的电路应用中，晶体的振荡频率是可以受外围的电容值所调节。但这种调节作用很微小。一般可以忽略，但在某些情况下，由于外围电容选配不合适导致频率偏差甚至不能起振的现象也是常有的事。这一点此文第4部分将有相关描述。晶体的等效电路由以上的分析，可以看出，石英晶体实际上是一个机电转化装置。要在电路里对他进行分析，首先要明确石英晶体的等效电路。根据机电类比关系（弹性对应电容、惯性对应电感、摩擦损耗对应电阻），可得到石英晶体的等效电路。等效电路中各参数的含义：L：表示机械振动的惯性，其值约为几毫亨到几十亨。R：表示机

6、械振动的摩擦损耗，其值约为几十到几百欧姆。理想晶体R=0。C：表示机械振动的弹性，其值约为0.01到0.1pF。C。：表示晶体两金属电极间构成的静电电容，远大于C，为几十皮法。晶体的电抗特性由晶体的等效电路可看出，其内部含有感性部件和容性部件，由电感和电容对不同频率的信号呈现不同的阻抗的特性知，对于不同频率的信号，晶体将呈现不同的阻抗值。令其阻抗的表达式为：Z=R+jX。则实部R即为等效电路中的电阻R，虚部是等效电路中L、C、Co的各自电抗按串并联规律叠加的结果。（1）式中。从上式可看出，晶体等效电路的电抗是频率的函数，对不同频率的信号，呈现不

7、同的电抗。用函数图像描述，即得到晶体的电抗特性曲线。晶体的并联谐振与串联谐振由晶体的等效电路可发现，在L、R、C之路，L和C串联，只要信号频率能满足L的感抗和C的容抗相互抵消时，在该支路上将发生串联谐振。串联谐振时，X=0。即式（1）的分子等于零。因此得串联谐振的谐振频率（2）此时，该支路呈现纯阻性，等效电阻为R，整个网络的阻抗等于R并联Co的容抗。当信号频率在和之间时，L、R、C支路呈感性，将与C哦产生并联谐振，石英晶体等效阻抗为无穷大。并联谐振时，X=∞。即式（2）的分母为零，因此可得并联谐振频率（3）因为C<

8、是晶体呈感性的区域很狭窄，在感性区域内电抗特性曲线很陡峭。在晶体并联谐振的放大电路里边，就是让晶体工作在感性区域内，利用晶体具有对频率变化的很灵敏的补