来源 | 微波绘

智库 | 云脑智库（CloudBrain-TT）

云圈 | 进“云脑智库微信群”请加微信:15881101905,备注研究方向

首先，区分一下晶体和晶振：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。

一、晶体

石英晶体，是无源的两个脚的，没有方向，需要IC或其它外部晶体振荡器输入，才产生频率，是无方向的。晶体还需要反向器,负载电容(loading capacitor)才可组成振荡器.石英晶体元件由石英晶体片和外壳组成一种无源压电元件，俗称晶体、晶振，我国早期称晶体谐振器。

当晶振以串联谐振(FS)工作时，它在电路中看起来是电阻性的， Fs处的阻抗接近零。因此可以用此特性设计晶体滤波器。

将石英晶片按一定的形状进行切割后，再用两个电极板夹住就形成了无源晶振，其符号图如下所示：

二、晶体的结构

三、晶体的切割

石英晶体结构复杂，但所有晶体都相同。相对于空白晶体的x，y和z轴，有很多种切割方法。

石英晶体像其他压电材料一样是各向异性的。这意味着它的许多特性(包括机械，电和光学特性)都取决于主轴。

因此，将石英坯料从主轴晶体切割的方式的角度限定了最终石英晶体谐振器的许多特性。主模式的弯曲模式，温度系数，老化特性，频率稳定性，Q值等。

晶振的的主要频率特性取决于其内部晶体单元，然而晶体单元的特性取决于切割工艺，常见的切割工艺有：

1）AT切割：

石英晶体的AT切割是使用最广泛的切割，特别适用于要求振荡器在500KHz至300MHz范围内运行的电子仪器等，尽管随着技术的发展，上限不断提高。

（石英晶体AT切割-与Z轴成35°35\\\\\\\\\\\'）

AT-cut主要用于电子仪器，无线电系统，微处理器时钟和其他许多需要振荡器在MHz范围内运行的应用中。随着技术的发展，上限越来越高。但是，最高频率通常以泛音模式运行，因为晶体在高频下会变得非常薄。

（AT切割不同泛音所需晶体厚度）

2）BT割切

这是另一种类似于AT的切割，它会以厚度切割模式振动，通常用于0.5到200MHz的频率。

它使用不同的角度：与z轴成49°。它具有可重复的特性，频率常数为2.536 MHz/mm。然而，温度稳定性特性不如AT切割，但由于其较高的频率常数，它可以更轻松地用于更高频率的操作。

它的缺点是它的温度特性比AT切割的石英晶体差，这是由较高的频率常数造成的。即便如此，BT切割晶体仍用于更高频率的应用，尤其是在需要以基频工作而不是泛音工作的情况下。

3）GT切割

用于石英晶体的GT切割通常用于大约0.1到2.5MHz的频率，并且使用振动的宽度扩展模式。

它以51°7\\\\\\\\\\\'的角度切割，由于温度系数不同的两种振动模式相互抵消，因此温度系数在+25到+ 75°C之间几乎为零。

4）IT切割

此切割使用厚度切割模式，并且用于大约0.5到200MHz之间的频率。

这种晶体切割与SC非常相似。但是，对于需要在80-90°C的温度范围内工作的水晶烤箱，该选项可以克服在这些温度下使用SC的困难。IT切口的最高转折点在85至105°C之间，但与SC的机械应力敏感性不同。

5）SC切割

此晶体切割用于大约0.5到3200MHz之间的频率。

这种切割是在1970年代后期开发的，特别是用于精密晶体烤箱，但是它确实需要更复杂的制造过程，因为随后需要进行双角度旋转并同时进行精密研磨。

SC切割晶体具有良好的相位噪声和老化特性，如OCXO。SC切割的公差很小。它们通常要求的公差为±10PPM，而AT切割的公差为±30PPM

6）XY切割

此切割本质上是一种晶体切割格式，用于低频应用，其频率通常在5至100KHz之间。它使用长宽弯曲模式。

该晶体切割广泛用于一个公共频率为32.768 KHz的低频。它的优点是频率非常小，比其他低频晶体类型便宜，此外它具有低阻抗和低C0/C1比。

四、晶振

石英晶体振荡器简称晶振，一般是由石英晶体元件、IC和阻容及外壳组成有源功能组件，加电即可输出稳定频率信号。这是因为石英晶体是一种机电器件，有一种特性，如果在晶片某轴向上施加压力时，相应施力的方向会产生一定的电位：

相反的，在晶体的某些轴向施加电场时，会使晶体产生机械变形；

如果在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，机械形变振动又会产生交变电场，尽管这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（与切割后的晶片尺寸有关，晶体愈薄，切割难度越大，谐振频率越高）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。

加电后的晶振一般有四个脚，是有方向的，有电源、地和时钟输出引脚，内部有晶体和振荡电路，不需要输入输入信号源，直接可产生频率。出厂时频率已校准。特点：应用方便、频率稳定、电磁辐射少。但价格比晶体贵些。

五、晶振的特性

晶振的等效参数由运动电容Cs，电感Ls，串联电阻Rs和分流封装电容Cp组成。前三个参数被称为石英晶体元件的“运动参数”。

晶振的基音和泛音的等效电路如下：

晶振的主要参数有标称频率、老化率、频率准确度、频率稳定度、相位噪声、功耗等。

1、标称频率：是指晶振的标称输出频率；

2、频率准确度：是指常温（25度）下，所测晶振频率相对标称频率的差值。

3、频率稳定度：一般是指频率温度稳定度，是指在晶振的工作温度范围内频率随着温度变化的大小，一般用PPM或PPB来标示，1PPB=0.001PPM=1*10-9‘’

3.1[时域表征]

　　⑴在规定条件下，晶振内部元件由于老化而引起的输出频率随时间的漂移。通常用某一时间间隔内的老化频差的相对值来量度（如日、月或年老化率等）。

　　⑵日稳定度（或称日波动）：指晶振输出频率在24小时内的变化情况。通常用其最大变化的相对值来表示。

3.2[频域表征]

　　⑴单边相位噪声功率谱密度，晶振输出信号的频谱中，用偏离载频f Hz处每Hz带宽内单边相位噪声功率与信号功率之比的分贝（dB）量，可写作￡（f）单位为dB/Hz。

　　⑵频谱纯度：是量度晶振内部噪声及杂散谱的尺度。通常用单边噪声功率谱密度来表示。

4、老化率：随着时间的推移，频率值随着变化的大小;

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。

六、晶振电路

晶体本身是不能产生振荡信号的，必须借助于相应的外部振荡器电路才能实现，下图是一个串联型振荡器电路，其中，晶体管Q1、Q2构成的两级放大器，石英晶体X1与电容CL构成LC电路。在这个电路中，石英晶体相当于一个电感，CL为可变电容器，调节其容量即可使电路进入谐振状态，输出波形为方波。

并联型振荡器电路如下图所示，这种形式读者可能见得更多些，一般单片机都会有这样的电路。晶振的两个引脚与芯片（如单片机）内部的反相器相连接，再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2，组成一个皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）

基于射随电路的巴特勒振荡器（Butler oscillator）

七、晶振的分类

1、普通晶振（PXO）

是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。

2、温补晶振（TCXO）

是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络。补偿后频率稳定度在10-7~10-6量级，由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，因而获得了广泛应用。

3、恒温晶振（OCXO）

采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。中精度产品频率稳定度为10-7~10-8，高精度产品频率稳定度在10-9量级以上。主要用作频率源或标准信号。

4、压控晶振（VCXO）

是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用电容。

八、晶振的制造过程

九、其它

    石英晶振使用十分广泛，也有明显的抗震、老化、温度特性等缺点，振荡器的研究已经出现了硅振荡器、MEMS振荡器，有兴趣的可以自行了解。

－ The End －

免责声明：本公众号目前所载内容为本公众号原创、网络转载或根据非密公开性信息资料编辑整理，相关内容仅供参考及学习交流使用。由于部分文字、图片等来源于互联网，无法核实真实出处，如涉及相关争议，请跟我们联系。我们致力于保护作者知识产权或作品版权，本公众号所载内容的知识产权或作品版权归原作者所有。本公众号拥有对此声明的最终解释权。

投稿/招聘/推广/合作/入群/赞助 请加微信：15881101905，备注关键词

微群关键词：天线、射频微波、雷达通信、芯片半导体、信号处理、软件无线电、测试制造、相控阵、EDA仿真、通导遥、学术前沿、知识服务、合作投资.

“阅读是一种习惯，分享是一种美德，我们是一群专业、有态度的知识传播者.”