有关石英晶体线路资料
Equivalent Circuit (等效电路)
Vibration of a crystal unit is actually mechanical vibration. However ,the crystal unit can be expressed by a two-terminal
network if its behavior is electrically converted. The series circuit consisting of L1, C1,and R1 is related to elastic
vibration ,while the element C0 connected in parallel to the series arm as a capacitance attributable to the dielectric
body of a quartz crystal plate .The resistance R1 is a resonance resistance of the crystal unit at the series resonance
frequency. (See Fig.1.)
石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动实际上石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出
这个回路包括L1 C1 同时C0 作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路与弹性振动有关的阻抗R1 是在谐振频
率时石英晶体谐振器的谐振阻抗(见图1)
Frequency-Temperature Characteristics (频率-温度特性)
To use a crystal unit as an oscillator, its oscillated frequency is required to be stable against temperature variations .A
quartz crystal has crystallographic axes, and crystal cut is defined according to the cutting angle against a
crystallographic axis and its associated mode of vibration. Typical types of crystal cut and frequency-temperature
characteristics are shown in Fig.2.
石英晶体作为谐振器在使用时要求其谐振频率在温度发生变化时保持稳定温频特性与切割角有关每个石英晶体具
有结晶轴晶体切割是按其振动模式沿垂直于结晶轴的角度切割的典型的晶体切割和温频特性Frequency-Temperature Characteristics of an AT-Cut (AT 型切片的温频特性)
The frequency-temperature characteristics of an AT-Cut crystal unit most generally used at present are expressed by
cubic curves. (See Fig.3.).
A crystal plate is cut at an angle at which a required frequency tolerance is obtained in the given operating
temperature range.
AT 型石英晶体谐振器的温度特性目前大多用三次曲线表示 一个石英晶片在所需要的频率范围已满足的情况下
在某一角度被切割以达到要求的工作温度范围当然实际上即使在成功的操作中也会有一些由于切割和磨光精
确性不够而造成的角度散布由此操作的精确度需要提高在图4 中可以看到频率公差和生产难度等级的关系
Load Capacitance (负载电容)
The load capacitance CL is a factor for determining the "conditions" of a crystal unit when used in the oscillation
circuit .In an ordinary oscillation circuit the crystal unit is used in a range where it functions as an inductive reactance in
such usage ,the oscillation circuit operates as a capacitive reactance .In other words ,when the oscillation circuit is
seen from both terminals of the crystal unit ,this oscillation circuit can be expressed as a series circuit of a negative
resistance -R and a capacitance CL ..At that time this capacitance is called the load capacitance .The relationship
between load capacitance and oscillation frequency is not linear. When the load capacitance is small, the amount of
frequency variation is large ,and when the load capacitance is increased, frequency variation lowers .If the load
capacitance is lessened in the oscillation circuit to secure a large allowance for the oscillation frequency ,the frequency
stability will be greatly influenced even by a small change in the circuit. The load capacitance can be any values, but
10-30PF is better.
负载电容CL 是组成振荡电路时的必备条件在通常的振荡电路中石英晶体谐振器作为感抗而振荡电路作为一个容
抗被使用也就是说当晶体两端均接入谐振回路中振荡电路的负阻抗-R 和电容CL 即被测出这时这一电容称为
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负载电容负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的负载电容小时频率偏差量大当负载电容提高时频率偏差
量减小当振荡电路中的负载电容减少时谐振频率发生较大的偏差甚至当电路中发生一个小变化时频率的稳定性
就受到巨大影响负载电容可以是任意值但10-30PF 会更佳
Equivalent Circuit of Crystal Oscillation Circuit (晶体振荡电路中的等效电路)
When a crystal unit is actuated as an inductive reactance in an oscillation circuit, the relationship between crystal unit
and oscillation circuit is shown in Fig.6.To improve the starting conditions of the oscillation circuit, it is preferable to
increase the value of negative resistance -R which parameter of the oscillation circuit .The starting conditions will
become worse if a circuit without much allowance in negative resistance (less negative resistance )is combined with a
crystal unit having a larger resonance resistance. The oscillation circuit should be designed to a goal such that the
value of negative resistance is 5 to 10 times the resonance resistance. It is also necessary that the center value of load
capacitance (to determine the absolute value of oscillation frequency )and the variable range (fine adjustment range of
oscillation frequency) are maintained at the optimum values in the oscillation circuit.
在振荡电路中石英晶体谐振器作为感抗被使用石英晶体谐振器和振荡电路的关系如图5 所示为提高振荡电路中的
起振条件须提高振荡电路中的负阻抗而电路中没有足够的负阻抗偏差则较难起振在振荡电路中负阻抗的值应达
到谐振阻抗的5-10 倍在振荡电路中负载电容的中心值其决定谐振频率的绝对值和其变化范围谐振频率的良好
调整范围应保持在最佳值
Oscillation Circuit (振荡电路)
A typical oscillation circuit composed of a crystal unit is introduced below . Element constants used are for example.
一个由石英晶体谐振器组成的典型振荡电所示
Frequency (MHZ) Cg, Cd (PF) Rd (V) CL (PF)
3-4 27 5.6K 16
4-5 27 3.9K 16
5-6 27 2.7K 16
6-8 18 2.7K 12
8-12 18 1.8K 12
12-15 18 1.0K 12
15-20 15 1.0K 12
20-25 12 660 10
Spurious Resonances (寄生响应)
All quartz crystals have spurious resonances (unwanted resonance) besides the main resonance frequency. They are
represented in the equivalent circuit diagram(Fig.5) by additional resonant circuits in parallel with R1, L1, C1. The ratio
of spurious resonance resistance RNW to resonance resistance Rr of the main wave is generally specified in the
attenuation constant dB and designated spurious attenuation aNW: aNW=-20 · lg
For oscillator crystals 3 to 6 dB are normally sufficient. For filter crystals attenuations greater than 40 dB are often
required. This can only be achieved by special design techniques and involves the use of very small values of the
dynamic capacity C1.
The achievable attenuation decreases with higher frequency and with higher orders of overtone. It is found generally
that plano-parallel quartz resonators have better spurious attenuation than plano-convex resonators. In specifying
spurious resonance parameters it is necessary to give an indication of both the acceptable attenuation level desired
and their frequencies relative to main resonance frequency.
Resonance in the region of +40 to +150 KHZ for plano parallel resonators biconvex or plano-convex resonators.
In the passive measurement method indicated above, spurious resonance attenuations up to 20 to 30 dB can be
measured. With higher attenuations, Co compensation is necessary.
所有石英谐振器均有寄生在主频率之外的不期望出现的振荡响应他们在等效电路图中表现为附加的以R1 L1
C1 形成的响应回路
寄生响应的阻抗RNW 与主谐振波的阻抗Rr 的比例通常以衰减常数dB 来表示,并被定义为寄生衰减aNW=-20 · lg
对于振荡用晶体,3 至6dB 是完全足够的.对于滤波用晶体,通常的要求是超过40dB. 这一规格要求只有通过特殊设计工艺
并使用数值非常小的动态电容方能达到.
可达到的衰减随着频率的上升和泛音次数的增加而减小. 通常的平面石英晶片谐振器比平凸或双面凸晶片谐振器的
寄生衰减要良好. 在确定寄生响应参数时,应同时确定一个可接受的寄生衰减水平以及寄生频率与主振频率的相对关系.
在AT 切型中,对于平面晶片,"不和谐的响应"只存在于主响应的+40 至+150KHZ 之间,对于平凸或双面凸的晶片,寄生
则在+200 至+400KHZ 之间.
在以上的测量方法中,寄生响应衰减至20 至30dB 时是可以测量的,对于再高一些的衰减.C0 的补偿是必需的.
Drive Level (DLD) (激励功率依赖性)
The amplitude of mechanical vibration of the quartz resonator increases proportionally to the amplitude of the applied
current. The power dissipated in the resonance resistance is given by Pc=12
qR1 . High drive levels lead to the
destruction of the resonator or the vaporisation of the evaporated electrodes, The upper limit for drive level is
approximately 10 mV.
As the reactive power oscillating between L1 and C1 is represented by Qc=Q x Pc, for Pc=1 Mw and with a Q of
100.000, Qc is equal to 100Watts, The oscillation amplitude can be exceeted with relatively low level of drive Pc, thus
resulting in the crystal frequency moving upwards.
This frequency dependence on drive level is more pronounced with increasing overtone order. Figure 9 shows
typical effects but exact prediction of the effect is not possible as it is influenced by all the elements of crystal design
and operation.
Mechanical blank parameters, mounting arrangements and so on. Is it can be seen that the drive level must be
specified carefully, if there is to be good correlation between the frequency of the crystal at the end of its production
and in the end use equipment.
Today with semiconductor oscillator circuits a drive level of approximately 0.1 Mw appears normal, where this
parameter is most specified, our production will use 0.1 Mw.
A well performing crystal should start to oscillate easily and its frequency should be virtrally independent of the
variation of drive level from a starting level of about 1 nW. In todays semiconductor circuits with very low power
consumption the crystal has to work well also at very low drive levels.
In fig.10 we show the effect of crystals with and without the problem of frequency dependence on drive level.
Crystal that have badly adhering electrodes or on which the surface of the resonator is not fine enough exhibit the
curved effect. At low drive level they have higher resistance.
This effect is called the drive level dependence (DLD). Usually production tests of DLD are performed between 1
and 10 microwatts and then at 1Mw and again at a low load. The relative change in resistance is then used as the test
criterion. Needless to say, making more measurements intermediate level increases production costs considerably.
Using suitable test oscillators permits fast of the DLD limit value, but only in the form of a Go/No-go test. IEC Draft
248 covers measurement of the drive level dependence of the resonance impedance in accordance with (DIN)
IEC444-6.
Oscillation build-up problems can very largely be eliminated by optimizing the oscillator circuit by providing a
sufficient feedback reserve and a "hard" switch-on pulse.
石英振荡器的机械振动的振幅会随着电流的振幅成正比例地上升. 功率与响应阻抗的关系为Pc=12
qR1, 高激励功率会
导致共振的破坏或蒸镀电极的蒸发,最高允许的功率不应超过10mV.
由于L1 和C1 电抗性的功率振荡,存在Qc=Q x Pc. 若Pc=1mV, Q=100.000, Qc 则相当于100W. 由于低的Pc 功率会
导致振荡幅度的超过,最终导致晶体的频率上移.
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随着晶体泛音次数的增加, 对于激励功率的依赖性更加显著.上图显示了典型的结果, 但是精确的预期结果还是要
受到包括晶体设计和加工,机械性晶片参数,电极大小,点胶情况等的影响.
可以看出, 激励功率必须被谨慎地确定,以使晶体在生产中和使用中保持良好的关系.
当今,一个半导体振荡回路的激励功率一般为0.1mV,故在生产晶体时也一般按0.1mV 进行.
一个品质良好的晶体可以容易地起振,其频率在自1nW 逐步增加时均能保持稳定.现在, 晶体两端的功率很低的半导
体回路也可以在很低的功率的情况下工作良好.
上图显示了一个对激励功率有或无依赖性的晶体的工作曲线的比较.
晶体存在蒸镀电极不良,晶片表面洁净度不足, 都会存在如图所示的在低功率时出现高阻抗的情况, 这一影响称为
激励功率依赖性(DLD). 通常生产中测试DLD 是用1~10mV 测试后再用1mV 测试, 发生的阻抗变化可作为测试的标准. 很
显然, 在增加测试内容会相当大的提高晶体生产的成本.
利用适当的测试仪器可以很快地进行DLD 极限值的测定,但是只能进行合格/不合格的测试.IEC 草案248 覆盖了根据
(DIV)IEC444-6 制定的激励功率的依赖性的测量方法.
提供具有充分的反馈和良好脉冲的最优化的振荡回路,可以极大的消除振荡的内部问题.
Notes for Crystal Unit Applications(石英晶体谐振器使用的注意点)
(1) Compared with the lineups of HC-49/U, small crystal units (HC-49U/S,HC-49USM,UM-1, SMD) are designed to
have lower limitable level of drive ,of 100μW and below. Prior to use , therefore, the crystal current should be examined
in an actually mounting circuit. (See Fig.5.)
(2) The negative resistance of a circuit must be checked. Confirmation of negative resistance is possible according
to Fig.6.A goal of negative resistance is about 5 times the resonance resistance.
(3) The Rd in the circuit diagram is indispensable when used in a C-MOS oscillation circuit. (See fig7.)If this Rd is
attached ,the level of drive is kept within the specified value and stable oscillation frequency can be obtained.
(4) Cg and Cd should be used within the range of 10-30pf,if Cg and Cd are used below 10pF or above
30pF,oscillation may be easily affected by circuit performance, level of drive may increase ,or negative resistance may
decrease, thus failing in maintaining stable oscillation.
(5) The layout for crystal oscillation circuits should be arranged as short as possible .
(6) The stray capacitance between circuits and ground patterns should be reduced.
(7) Crossing of crystal oscillation circuit patterns over other circuit patterns should be avoided.
(8) If the circuits used ,IC types, and IC manufacturers are different, frequency, level of drive, and negative
resistance should be confirmed .
(9) Overtone oscillation circuits need additional consultation.
(1)与HC-49/U 相比,小的石英晶体谐振器(如HC-49U/S, HC-49USM, UM-1, 49T) 都是低激励功率(100um 或以下). 在使用之前,须在一个实际的安装电路中检验晶体电流
(2)须检查电路的负阻抗,负阻抗的认可见图8.
负阻抗应是谐振阻抗的5 倍左右.
(3)当使用C-MOS 振荡器时(见图7)线路图中的Rd 是必要的. 如果Rd 达到要求, 激励功率会保持在规定值内,那么
谐振频率也就稳定了.
(4)在10-30PF 内,可以用Cg 和Cd, 如果Cg 和Cd<10PF 或>30PF, 振荡会被电路现象轻易的影响, 激励功率会升高,
或负阻抗会减小, 最终导致振荡的不稳定.
(5)晶体振荡电路的设计应尽量简短.
(6)电路和线路板间的杂散电容应尽量被减少.
(7)尽量避免晶体振荡电路穿过其他电路.
(8)如果电路用IC 方式,而且IC 制造各不相同,那么频率, 激励功率, 负阻抗须被确认.
(9)泛音振荡电路还需要附加的参考.
Notes for Ordering (定货注意点)
For special use conditions more detailed specifications should be offered, if more detailed specifications should be
offered, if more practical applications, etc., are specified, the most suitable products can be introduced. When load
capacitances, etc., are unclear for crystal units, the result will be more advantageous if the circuit being adopted or the
actual device is shown to us.
We can manufacture crystal of many types frequencies temperature characteristics operating conditions, and so on,
Please make queries to us or discuss with us on any unlear points. We will give you a prompt and complete reply.
有特殊要求时,须提供具体规格,如果有更多的实验要求,我们会介绍最适合的产品.当石英晶体谐振器的负载等不清楚时,
可以提供给我们实物以作参考.
我们生产具有多种型号, 频率, 温度特性, 工作条件等的产品.
如有不清楚之处, 可向我公司提出, 我们将给您充分答复.