浅谈石英晶体振荡器的发展前景

浅谈石英晶体振荡器的发展前景

摘要：分析石英晶体振荡器的国内外发展现状、技术发展趋势和市场前景。广泛应用于融合通信、导航、卫星、雷达、测绘等领域，需求量以每年38%快速增长，未来具有广阔的市场空间。

关键词：石英晶体振荡器趋势市场

石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC（线圈和电容）谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件.

一、石英晶体振荡器的基本原理

1、石英晶体振荡器的结构

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。

2、压电效应

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。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。

3、谐振频率

从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。根据石英晶体的等

效电路，可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图2e所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs

二、国内外发展现状

欧美的产品集中在恒温晶体振荡器（OCXO）和温度补偿晶体振荡器（TCXO）上，主要应用在军用、航空航天、星载等领域，该领域的石英晶体的特点是高精度、高可靠、小批量、附加值高等。国内的一些研究机构和企业也曾投入大量精力进行研发，但由于市场需求的限制，难以实现大规模生产。

日本、台湾的企业致力于发展表面贴装的小型化谐振器、振荡器产品，特别是日本企业，他们占据全球石英晶体市场的60%。他们的目标市场是通讯、车载、办公自动化、消费电子等，该领域的特点是小尺寸、低缺陷、表贴化等。该领域产品是目前全球需求量及增长量最大，占据最大市场分额的是4～5家日本企业，其次是2～3家台资企业。

韩国和国内企业主打产品是引线式谐振器及表贴谐振器，目标市场是消费电子、家用电子以及其他低端市场。韩国企业在十年前是走在中国大陆企业的前面的，但这些年由于国际市场开拓不力，新产品开发迟滞，且人工成本居高不下，竞争力有所下降。目前这一产品由于进入门槛低，价格竞争非常激烈，主要特点是低价格、低成本、大批量。

三、发展趋势

1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变

2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO 的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。

3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。

4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源电压一般为3.3V。许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。

四、市场分析

石英晶体元器件由于品质因数（即“Q值”）较高，而且受温度影响所造成的

频率偏移较小，相对其他振荡元器件更加准确和稳定，特别适用于对频率准确度要求较高的通信产品，在融合通信领域有着广阔的应用前景，同时，也广泛应用在导航、卫星、雷达、测绘等领域。

有关统计数据显示近年来恒温晶体振荡器的全球市场需求量正以每年38%的速率增长，预计到2013年全球将达到21千万只的需求量。从地域来看，亚太地区的需求增长量占据了主要份额，预计至2013年亚太地区的市场占有量将从目前的29%增长至46%以上。从行业需求来看，需求量最大的行业为通讯行业，需求量连年增长，预计到2013年将达市场需求总量的73%以上。在未来几年，随着国内通信产业的迅速发展，包括3G网络覆盖、4G平台建设、北斗系统及应用、光通信系统、物联网等产业成熟，对本产品的需求量将迅速上升。通信网最基本的模型是由接入网、交换网、传输网三个部分组成。恒温晶体振荡器主要应用在交换网和传输网的相关系统设备中，另外，在同步网在也用到高精度低抖动的恒温振荡器，在无线网中的基站控制器、移动交换系统中会用到恒温振荡器。

五、结论

目前石英晶体振荡器正朝着型化、片式化、集成化和环保的趋势发展，表面贴装式的产品将日益成为市场的主流产品，广泛应用于融合通信、导航、卫星、雷达、测绘等领域，需求量以每年38%快速增长，未来具有广阔的市场空间。