石英晶振的设计和影响频率要素

石英晶体振荡器是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。石英振荡电路的形式很多，但基本电路只有两类：并联晶体振荡器和串联晶体振荡器。前者石英晶体是以并联谐振的形式出现，而后者则是以串联谐振的形式出现。石英振荡电路主要由IC、石英谐振器XTAL 、电阻、PCB 等组成。

IC：可根据实用的需要任意选用，如CMOS 反向器IC;专用振荡IC;大规模的数字IC 中自备石英振荡门。负载特性：振荡电路（除去CRYSTAL） ，具有一个负阻特性（用网络频谱分析仪） ，振荡电路负阻值（绝对值） 必须大于3 倍的CRTSTAL 电阻值（ CRYS2TAL ESR/ RR） ，振荡电路才可以稳定的振荡。电容：可根据用户的需要选用片式或传统结构的产品，但是应注意选择适用于高频的、低损耗的温度系数产品。电阻：在选择尺寸的同时需注意功耗的满足。PCB：注意能满足高频的使用场合和注意尽量降低线路的分布参数，大面积接地和一点式接地方案的采纳。有必要的时候应注意EMI 的防护。石英谐振器XTAL ：频率大于1MHz 的谐振器应选用AT-MODE ，可根据用户的需要选择合适的外形尺寸和封装的晶体。主要电性指标：FL、ESR 的CLOCK需要选用FL 及公差，并按Cg/ Cd 值，计算而得CL =（Cg*Cd）/（Cg+Cd）+Cs（线路分布杂散电容）；ESR ：单位Ω，工作温度范围的频率公差。

正确的选取Cg/ Cd 的值将有利于振荡电路的工作稳定，并能使振荡频率满足使用的CL K 要求。其选取的步骤如下：首先应该按照- R 的需要选择Cg/ Cd ，在满足TS 的情况下应尽量小些，保持较高的- R 以保证振荡的稳定性。当无法满足- R 要求时应考虑对IC 的特性重新评价、选择。其次 Rf 值选取：取用的XTAL 为基本波的时候，Rf选用1MΩ；3RD 模式的XTAL 时须考虑截止频率必须界于基频与3RD 的中间以保证3RD 工作正常为原则，通常Rf 阻值在2 - 15KΩ 间。为了避免对XTAL 的过激励而影响电路的正常工作，建议采用Rr 以控制XTAL 的激励功率；其数值视频率高低可在33 - 68Ω间选取。对于有EMI 要求的振荡电路设计中必须选取SEAM 焊封4PAD 的晶体谐振器，同时赋予合理接地方式，可满足EMI 防护的需求。

石英晶体振荡器频率不是固定不变的，很多因素可以影响它的，比如一个石英晶体振荡器的频率精度是±20ppm，但可能会因为电压变动有±1ppm的影响，焊接温度有±5ppm的影响，机械震动与冲击有±3ppm的影响，温度范围可能有±5-20ppm的影响等等。这些都是十分常见的影响石英晶体振荡器频率精度的因素，必须考虑进去。

以下是频率受外界环境的影响效果有关参数。频率准确度：在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度（25℃）以及其他条件保持不变，晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差，即（fmax-fmin）/f0；频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏；频率老化：在规定的环境条件下，由于元件（主要是石英谐振器）老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振，由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移，往往用老化率（单位时间内的相对频率变化）来量度。