晶体时钟振荡器的选择
有关晶振的知识详解
晶振的工作原理是什么？ [标签：电子资料]石英晶体若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应，晶振就是根据压电效应研制而成。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。
它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
提问者：bangbanghoutai浏览次数：1539 提问时间：2007-12-08 15:55姓名：帮帮笔名：bangbanghoutai等级：副连长 (三级)回答数： 6395 次通过率： 43.47%主营行业：精细化学品公司：擅长领域：阿里旺旺雅虎实战案例答案收藏答案收藏答案分享给好友最新回答者：woyige等级：列兵 (一级)回答的其他贡献者：woyige>>目录∙1、石英晶体振荡器的结构∙2、压电效应∙3、符号和等效电路∙4、谐振频率∙5、石英晶体振荡器类型特点∙6、石英晶体振荡器的主要参数∙7、石英晶体振荡器的发展趋势∙8、石英晶体振荡器的应用1、石英晶体振荡器的结构编辑本段石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。
2、压电效应编辑本段若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。
反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。
SaRonix NTH NCH Series 晶体时钟振荡器规格书说明书
NTH / NCH SeriesSaRonixCrystal Clock OscillatorTechnical Data3.3V, LVCMOS / HCMOS, Tri-State/saronixDS-159 REV DSymmetry:Rise and Fall Times:Logic 0:Logic 1:Load:Period Jitter RMS:0.5 MHz to 106.25 MHzFrequency Stability:Frequency Range:±20, ±25, ±50 or ±100 ppm over all conditions: calibrationtolerance, operating temperature, input voltage change,load change, 30 day aging, shock and vibration.Temperature Range:Operating:Storage:0 to +70°C or -40 to +85°C, See Part Numbering Guide-55 to +125°CSupply Voltage:Recommended Operating: 3.3V ±10%Supply Current:20mA max, 0.5 to 30 MHz25mA max, 30+ to 50 MHz30mA max, 50+ to 80 MHz35mA max, 80+ to 106.25 MHzACTUAL SIZEDescriptionA crystal controlled, low current, lowjitter and high frequency oscillator withprecise rise and fall times demanded innetworking applications. The tri-statefunction on the NTH enables the outputto go high impedance. Device is pack-aged in a 14 or an 8-pin DIP compatibleresistance welded, all metal groundedcase to reduce EMI. True SMD DIL14versions for IR reflow are available, se-lect option "S" in part number builder.See separate data sheet for SMD packagedimensions.Output Drive:45/55% max 0.5 to 70 MHz max40/60% max @ 50% V DD4ns max 0.5 to 50 MHz, 20% to 80% V DD3ns max 50+ to 80 MHz1.5ns max 80+ to 106.25 MHz10% V DD max90% V DD min50 pF, 0.5 to 50 MHz30pF, 50+ to 70 MHz15pF, 70+ to 106.25 MHz8ps maxHCMOSMechanical:Shock:Solderability:Terminal Strength:Vibration:Solvent Resistance:Resistance to Soldering Heat:MIL-STD-883, Method 2002, Condition BMIL-STD-883, Method 2003MIL-STD-883, Method 2004, Conditions A & CMIL-STD-883, Method 2007, Condition AMIL-STD-202, Method 215MIL-STD-202, Method 210, Condition A, B or CEnvironmental:Gross Leak Test:Fine Leak Test:Thermal Shock:Moisture Resistance:MIL-STD-883, Method 1014, Condition CMIL-STD-883, Method 1014, Condition A2MIL-STD-883, Method 1011, Condition AMIL-STD-883, Method 1004Applications & FeaturesADSL, DSLDS3, ES3, E1, STS-1, T1Ethernet Switch, Gigabit EthernetFibre Channel ControllerMPEGNetwork ProcessorsVoice Over Packet32 Bit MicroprocessorsTri-State output on NTHLVCMOS / HCMOS compatibleAvailable up to 106.25 MHz•••••••••••Output WaveformT r T fCMOSLogic 180% V DD50% V DD20% V DDLogic 0SYMMETRYSaRonixSaRonixSaRonixCrystal Clock Oscillator3.3V, LVCMOS / HCMOS,/saronixSaRonixTrue SMD Adaptor - 7.57mm HighSaRonix /saronix。
晶体Crystal振荡电路原理、分类及设计
晶体Crystal振荡电路原理、分类及设计目录1.文档简介 (3)2.晶体振荡电路的工作原理 (3)2.1石英晶体特性 (3)2.2并联型晶体振荡电路 (4)2.3串联型晶体振荡电路 (6)3.时钟的重要参数 (6)4.晶体振荡器种类 (11)4.1普通晶体振荡器 (11)4.2温度补偿晶体振荡器 (12)4.3恒温晶体振荡器 (14)5.CRYSTAL（晶体）电路设计 (14)5.1晶体电路设计器件说明及选择 (15)5.2PCB布局设计 (16)6.晶体常见问题举例 (16)6.1不起振问题分析与解决 (16)6.2频偏过大 (17)7.总结 (17)附录一相关公式推导一 (18)附录二相关公式推导二 (20)1.文档简介本文主要介绍了晶体振荡电路的工作原理，时钟的重要参数，晶体振荡器的种类，晶体电路设计及晶体常见问题的举例。
2.晶体振荡电路的工作原理晶体（石英晶体）振荡电路主要由主振电路和石英谐振器组成，主振电路将直流能量转换成交流能量，振荡器频率主要取决于石英晶体谐振器。
振荡电路一般采用反馈型电路，按晶体在振荡电路中的作用，又可以分为串联型晶体振荡电路和并联型晶体振荡电路。
本章首先介绍石英晶体的特性，然后分别介绍并联型晶体振荡电路和串联型晶体振荡电路的结构及工作原理。
2.1石英晶体特性晶体（石英晶体）之所以能作为振荡器产生时钟，是基于它的压电效应：所谓的压电效应是指电和力的相互转化，即，如果在晶体的两端施加压缩或拉伸的力，晶体的两端会产生电压信号；同样的，在晶体的两端施加电压信号，晶体会产生形变。
而且这种转化在某特定的频率上效率最高，此频率（由晶片的尺寸和形状决定）即为晶体的谐振频率。
实际应用的晶片是由石英晶体按一定的方向切割而成的，晶片的形状可以各种各样，如方形、矩形或圆形等。
由于晶体的物理性质存在各向差异性，相同的晶体按不同晶格方向切下的晶片，会产生不同的物理特性。
因此，晶体的切割方法是非常重要的，对石英晶体来说，有AT/BT/DT/GT/IT/RT/FC/SC等不同的切法，要根据具体的需求选择相应的切法切割晶片，其中最常用的有AT切和SC切。
晶体振荡原理
石英晶体、晶振介绍文摘2010-10-25 23:36:39 阅读50 评论0 字号：大中小订阅石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器、手机等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
可以说只要需要稳定时钟的地方，就必需要有晶体振荡器。
一：认识晶体、晶振常见晶体振荡器有两类，一类是无源晶体，也叫无源晶振，另一类是有源晶振，也叫钟振。
无源晶体外形如下图：（HC-49S 插脚）（HC-49S/SMD 贴片）无源晶体以以上两种封装的晶体最为常用，广泛应用于普通设备上，尤其是嵌入式设备，若对体积大小有要求，可以选择更小的贴片封装，如下图：（XG5032 贴片）（XS3225 贴片1，3脚有效，2，4脚为空脚）当前消费类电子如手机，MP4，笔记本等，XS3225封装最为常用。
具体关于晶体的封装及参数信息，请参考国内最大的高端晶体晶振厂家：浙江省东晶电子股份有限公司网站提供的信息：/product.aspx/23无源晶体说穿了就是封装了一下晶体，在晶体两面镀上电极引出两根线即可，那么有源晶振就是在无源晶体的基础上加了一个晶体振荡电路，，比如采用一个74HC04或者54HC04之类的非门与晶体勾通三点式电容振荡电路，所以它具有电源，地，时钟输出三个脚，有些还会增加一个脚，就是晶振工作控制脚，当不需要工作的时候，可以关掉晶振降低功耗。
如下图：（OS3225 与XS3225外形一样，只是脚位定义不同1：EN控制脚，2：GND地，3：OUT信号输出，4：VCC电源，一般为3.3V 或者5V）。
晶振内部振荡电路等效图如下：非门5404的输出脚2就是信号输出脚。
二：晶体振荡电路原理分析（本篇由东晶电子网上独家代理创易电子提供技术文档）我们以最常见得MCU振荡电路为例,参考电路如下：很多人做MCU51单片机得时候，不明白晶体两边为什么要加两个电容，大小一般在15pF～33pF之间，有些特殊的，还需要在晶体上并联一个大电阻，一般老师的解释是提高晶体振荡电路的稳定性，有助于起振,而对于其根本原理没有解释。
单片机晶振频率
单片机晶振频率一、晶振频率的概念及作用晶振频率是指晶体振荡器的震荡频率，也就是单片机内部时钟的频率。
在单片机中，晶振频率起到了非常重要的作用。
它决定了单片机内部时钟的频率，从而影响了单片机的运行速度和精度。
因此，选择合适的晶振频率非常重要。
二、常见的晶振频率目前，市面上常见的晶振频率有4MHz、8MHz、16MHz等。
其中，4MHz和8MHz适用于一些低功耗应用场合，而16MHz则适用于一些高速运算场合。
当然，在一些特殊场合下也会使用其他频率的晶振。
三、如何选择合适的晶振频率1. 根据单片机型号选择不同型号的单片机支持不同范围内的晶振频率。
因此，在选择晶振时需要根据具体型号来确定可选范围。
2. 根据应用场景选择在实际应用中，需要根据具体应用场景来选择合适的晶振频率。
如果需要实现高速计算或者数据传输等操作，则需要使用较高频率的晶振；而如果需要实现低功耗应用，则可以选择较低频率的晶振。
3. 考虑外设设备在一些需要与外设设备进行通信的应用中，需要根据外设设备的要求来选择晶振频率。
例如，如果外设设备要求使用特定的时钟频率进行通信，则需要选择与之匹配的晶振频率。
四、晶振频率与系统时钟频率在单片机中，晶振频率和系统时钟频率是两个不同的概念。
晶振频率是指晶体振荡器震荡的频率，而系统时钟频率则是由单片机内部时钟分频器控制的。
因此，在选择晶振时需要考虑到系统时钟分频系数等因素。
五、常见问题及解决方法1. 晶振不工作可能原因：电路连接不良、晶体损坏、电源电压不稳定等。
解决方法：检查电路连接是否正确、更换新的晶体、检查电源是否稳定等。
2. 晶振工作不稳定可能原因：温度变化、电源波动等。
解决方法：加装温度补偿电路或者使用温度补偿型晶体；使用稳定可靠的电源等。
3. 晶振频率偏差过大可能原因：晶体参数不匹配、电容不匹配等。
解决方法：更换频率相近的晶体、更换合适的电容等。
六、总结在单片机应用中，选择合适的晶振频率非常重要。
需要根据单片机型号、应用场景、外设设备要求等因素来选择合适的晶振频率。
石英晶体振荡器原理
石英晶体振荡器原理石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
1.晶振概述晶振一般指晶体振荡器。
晶体振荡器BAV99-7是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片），石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；并添加到包装内部IC形成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。
其产品一般用金属壳包装，也用玻璃壳包装.陶瓷或塑料包装。
2.晶振的工作原理石英晶体振荡器是一种由石英晶体压电效应制成的谐振器件。
其基本组成大致如下：从石英晶体上按一定方向角切下薄片，在两个对应面涂上银层作为电极，在每个电极上焊接一根导线，连接到管脚上。
此外，封装外壳构成石英晶体谐振器，简称石英晶体或晶体.晶体振动。
其产品一般用金属外壳包装，也有玻璃外壳.陶瓷或塑料包装。
如果在石英晶体的两个电极上增加一个电场，晶片就会发生机械变形。
相反，如果在晶片两侧施加机械压力，就会在晶片的相应方向产生电场，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上增加交变电压，晶片会产生机械振动，晶片的机械振动会产生交变电场。
一般来说，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常小，但当外部交变电压的频率为特定值时,振幅明显增远大于其他频率,称为压电谐振，与1C电路的谐振现象非常相似。
其谐振频率与晶片切割方法相似。
.几何形状.尺寸等相关。
晶体不振动时，可视为平板电容器，称为静电电容器C,晶片的大小和几何尺寸.与电极面积有关，一般几种皮法到几十种皮法。
当晶体振荡时,机械振动的惯性可以与电感1相等。
一般1值为几十豪亨到几百豪亨。
电容C可以等效晶片的弹性，C值很小，一般只有O.0002~0.1皮法。
石英晶体器件选用指南
石英晶体器件选用指南厦华电子研发中心 薛 元为了进一步降低开发成本、促进设计标准化以及便于公司物料管理，特编写此指南，以便各位设计师在后续的新品开发中选择适合产品的石英晶体器件。
1概述石英晶体器件是现代电子元器件领域应用最广泛的基础元件之一，可广泛用于各种电子技术应用方面。
它是用压电单晶石英（即水晶）制成的压电器件，不仅具有高度稳定的物理化学性能，而且弹性振动损耗极小。
与其它电子器件相比，压电石英晶体还有着很高的频率稳定度和高Q值（高达数百万），其主要原材料人造石英水晶的价格又较低，这些十分突出的优点，使其成为稳定频率和选择频率的重要器件。
我司目前主要使用的石英晶体器件主要包括了石英晶体谐振器（Quartz Crystal Resonator）和石英晶体振荡器（Quartz Crystal Oscillator）。
2工作原理2.1压电效应若在石英晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上会产生一定的电场，这种物理现象称为压电效应。
反之，若在石英晶片两极加一电场，晶片会产生机械变形，继而产生频率振荡，这就是逆压电效应。
晶振和钟振就是采用其逆压电效应制成的。
一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。
但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。
这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。
因石英晶片在石英材料中的方位不同，电场设置不同，会产生不同的振动模式，有长度伸缩振动，弯曲振动，面切变振动和厚度切变振动。
在实际使用过程中，从适用频率范围、压电活力、频率温度特性以及加工难易程度等方面综合考虑，一般采用AT切型的厚度振动模式，BT切型厚度振动模式以及DT切型面切变振动模式，X+5°切型长度伸缩振动模式。
2.2等效电路作为一个电气元件，晶体是由一选定的晶片，连同在石英上形成电场能够导电的电极及防护壳罩和内部支架装置所组成，其等效电路如图1所示。
晶体振荡器 MEMS振荡器
晶振的缺点
受石英晶体自身的特性限制，比较脆弱，抗 震性能差； 由于切割尺寸难以继续缩小，频率难以继续 提高； 受封装限制，体积、价格难以继续降低。
石英晶体振荡器市场规模TAM
据统计报道，目前全球石英晶体振荡器市场年 规模约为30亿美元，每年生产90亿颗石英晶体 振荡器，应用涉及汽车、电视、摄像机、个人 电脑、便携式设备等等几乎一切电子设备。
石英晶体的等效电路
影响振荡器工作的环境因素
影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰 (EMI)、机械震动与冲击、温度和湿度。这些 因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性， 并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。 所以，晶振的封装很讲究，金属、陶瓷外壳 起屏蔽和机械稳定作用。
无源晶振和有源晶振
市场上晶体振荡器分为无源有源晶振两种类型。无源晶 振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为 crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡 器）。无源晶振实际上是一颗石英晶体，需要借助于时 钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以 “无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振--振荡器模 块，才是一个完整的振荡器。 振荡器的性能受环境条件和电路元件选择的影响较大。 需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。相比 之下，有源晶振（钟振）更加稳定，工程应用更加方便。
MEMS 振荡器结构原理
MEMS谐振器是采用深度离子蚀刻技术在晶圆 上生成极细小且坚硬的机械结构，从而制成 谐振器。 MEMS 振荡器由下面部分组成
雕刻在硅片上面的谐振腔体 真空密封Cap 振荡器、PLL ASIC电路 封装
Build a MEMS Oscillator
1) Resonator
2) Packaged Resonator
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晶振的选择
注意某些参数，设计工程师即可选择到适合应用的振荡器
M-tron Industries 公司Bill Jennewein 著
---- 今天无数电子线路和应用需要精确定时或时钟基准信号。
晶体时钟振荡器极为适
合这方面的许多应用。
---- 时钟振荡器有多种封装，它的特点是电气性能规范多种多样。
它有好几种不同的类
型：电压控制晶体振荡器（VCXO）
、恒温箱晶体振荡器
、温度补偿晶体振荡器（TCXO）
（OCXO），以及数字补偿晶体振荡器（DCXO）。
每种类型都有自己的独特性能。
---- 频率稳定性的考虑
---- 晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性，它是决定振荡器价格的重要因
素。
稳定性愈高或温度范围愈宽，器件的价格亦愈高。
---- 设计工程师要慎密决定对特定应用的实际需要，然后规定振荡器的稳定度。
指标过
高意味着花钱愈多。
---- 对于频率稳定度要求±20ppm 或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。
对于
成于±1 至±20ppm 的稳定度，应该考虑TCXO。
对于低于±1ppm 的稳定度，应该考虑OC
XO 或DCXO。
---- 输出
---- 必需考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压稳定度、负载稳定性、功耗、封。
晶振器可HCMOS/TTL 兼容、ACMOS 兼容、装形式、冲击和振动、以及电磁干扰（EMI）
ECL 和正弦波输出。
每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。
应该关注三态或互补输出的
要求。
对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。
许多DSP 和通信芯片组往往需要严格的对称性（45%至55%）和快速的上升和下降时间（小
于5ns）。
---- 相位噪声和抖动
---- 在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。
它可测量到中央频率的1Hz
之内和通常测量到1MHz。
---- 振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。
TCXO 和OCXO 振荡器以及其
它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。
采用锁相环合成器产生输
出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。
---- 抖动与相位噪声相关，但是它在时域下测量。
以微微秒表示的抖动可用有效值或峰
—峰值测出。
许多应用，例如通信网络、无线数据传输、A TM 和SONET 要求必需满足严格
的拌动指标。
需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。
---- 电源和负载的影响
---- 振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。
正确选
择振荡器可将这些影响减到最少。
设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡器的
性能。
不能期望只能额定驱动15pF 的振荡器在驱动50pF 时会有好的表现。
在超过建议
的电源电压下工作的振荡器亦会呈现坏的波形和稳定性。
---- 对于需要电池供电的器件，一定要考虑功耗。
引入3.3V 的产品必然要开发在3.3V 下
工作的振荡器。
---- 较低的电压允许产品在低功率下运行。
现今大部分市售的表面贴装振荡器在3.3V 下
工作。
许多采用传统5V 器件的穿孔式振荡器正在重新设计，以便在3.3V 下工作。
---- 封装
---- 与其它电子元件相似，时钟振荡器亦采用愈来愈小型的封装。
例如，M-tron 公司的
PDF created with pdfFactory trial version
M3L/M5L 系列表面贴装振荡器现在采用3.2×5.0×1.0mm 的封装。
通常，较小型的器件比
较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。
小型封装往往要在性能、输出选择和频率选
择之间作出折衷。
---- 工作环境
---- 振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。
例如，高的振动或冲击水平会给振荡器带来
问题。
---- 除了可能产生物理损坏，振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。
这些外部感
应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。
---- 对于要求特殊EMI 兼容的应用，EMI 是另一个要优先考虑的问题。
除了采用合适的
P C 母板布局技术，重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。
一般来说，具有较慢上
升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI 特性。
---- 对于70MHz 以下的频率，建议使用HCMOS 型的振荡器。
对于更高的频率，可采用ECL
型的振荡器。
ECL 型振荡器通常具有最好的总噪声抑制，甚至在10 至100MHz 的较低频率下
，ECL 型也比其它型的振荡器略胜一筹。
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