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| 1.技术术语 1.1 石英晶体谐振器基本术语 压电效应 石英晶体，也即二氧化硅（SO2）晶体，它具有压电特性。当在其表面按一定的方向施加作用力时，就会产生一个电势场。相反，当在其表面施加一定的电场，就会引起机械形变或振动。其振动的频率取决于：a）石英晶体片的尺寸；b）晶体片相对于晶轴的切向，也即切型；c）环境温度；d）振荡电路负载条件。 晶体等效电路参数 下图1就是为人熟知的石英谐振器等效电路，用以表示石英谐振器在其主振动模式附近的等效电路。只要我们把石英谐振器的主振动模式与其它振动模式隔离开来，该电路就是有效的。
图中，C0为静态电容，它代表了晶体电极之间及基座、外壳的电容。L1，C1，R代表了谐振器主谐振模式的等效电路参数，这些动态参数组成了等效电路的动态臂。在离开主谐振模式的其它地方同样存在着许多其它谐振模式（泛音模式及寄生振动），这些模式同样可以用与主谐振动态臂并联连接的其它动态臂来表示。用户在制订石英晶体谐振器的规格书时，应考虑等效电路的各个参数。对于各种不同设计的谐振器，这些等效参数都有范围限制。 C0：（Shunt Capacitance）也称旁路电容或静电容，主要取决于晶片的厚度和电极膜层的面积。它是当谐振器不在振动时测得的电容。静电容的取值范围通常为1至7pF。考虑到与振荡电路的兼容性，C0通常不宜超过7pF。 C1：动态电容，取决于石英的硬度常数，电极面积，晶片厚度及形状。在低频段，为了提高谐振器的性能，晶片必须经过修外形或滚边处理。修外形或滚边会减小C1值。对于基频模式的谐振器，C1的取值范围大约是5fF至30fF。作为一个一般的规则，当一个基频设计的谐振器被用于泛音模式使用时，其C1值将时基频C1值除以泛音次数的平方（例如，3次泛音C1值为其基频时的1/9）。 L1：动态电感，其大小由晶片中处于运动的质量决定。频率越低（晶片大而厚），L1可以大至几个亨利（H）；而当频率越高（晶片小而薄），L1就可以小至几个毫亨（mH）。L1和C1的关系由汤姆逊公式给出，即：L1=1/（4π2f2 C1)。所以，如客户需要，只需规定C1值，L1就可以通过以上公式得到。 频率温度特性 石英晶体谐振器的频率温度特性主要取决于其设计，晶片的切角及装架结构。根据频温曲线不同的形状，主要可以分为两类。一种为3次曲线，另一种为2次曲线。图2就表示了AT切型谐振器不同切角频温特性的3次曲线。其拐点温度，依赖于谐振器的设计，大致在+25°C和+35°C之间。AT切型谐振器的使用最为广泛，其最大的特点是在较大的环境温度范围内引起的频率变化较小。 Fig.2 AT-cut frequency-temperature characteristics 频率公差或调整精度 调整公差是指在某一规定温度下（通常为25℃）谐振器频率相对于标称频率的最大允许偏差。通常用标称频率的 百万分之一（ppm）或百分数（%）来表示。总频差是指谐振器频率由于温度，时间，及所有其它环境条件的变化所引起的相对于标称频率的最大允许偏离。 频率稳定度 频率稳定度是指在某一规定温度范围内器件频率相对于标称频率的最大允许偏差，同样用标称频率的 百万分之一（ppm）或百分数（%）来表示。对于谐振器，通常用元件在25℃时所测得的频率值作为参考频率计算温度频率偏差。 频率稳定度依赖于以下几个因素：晶片的切型，晶片的切角，振动模式以及晶片的机械尺寸。 串联谐振及并联负载谐振 石英晶体谐振器可以以两种模式用于电路中，串联或并联。串联谐振晶体和并联谐振晶体在物理上是相同的晶体，只是被调整至差异很小的不同频率。当将一个谐振器安置于某一振荡电路，它们将共同振荡于一个合拍的频率。这个频率取决于谐振器的设计以及振荡电路呈现给这个谐振器的负载电容的大小（如果有的话）。负载电容通常用皮法（pF）单位来规定。它是由几方面的电容结合组成：电路中的分列负载电容，线路板的杂散电容，半导体器件由米勒（Miller）效应产生的电容。当振荡电路对谐振器呈现出一定大小的电容时，谐振器就工作在“并联负载谐振”条件下，这时必须给谐振器规定相应的负载电容值。负载电容的典型值有18pF，20pF，22pF，30pF 和32pF。负载谐振频率的大小随负载电容的增大而减小。其变化由以下公式给出： FL = FS [C1/2(C0 + CL) + 1] 这里： FL = 并联负载谐振频率(MHz) FS = 串联谐振频率 (MHz) CL = 晶体负载电容 (pF) C0 = 晶体静电容 (pF) C1 = 晶体动态电容 (pF) 如果振荡电路没有呈现出电容性负载，这时谐振器就工作在“串联谐振”条件下，从而就不需要规定负载电容。工作在串联谐振的谐振器在电路中呈现出电阻性。这样的振荡电路完全依靠晶体谐振器为其提供合适的相位偏移，以启动和维持振荡器振荡在规定的频率上。 等效串联电阻(ESR) 等效串联电阻（ESR）为石英晶体谐振器中的阻性成分，用欧姆（Ω）来计量 。对于设计成用于串联谐振的谐振器， 当谐振器工作在串联谐振频率时，等效电路中L1和C1表现出的电抗大小相等但符号相反。最终的结果是L1和C1相互抵消，在串联臂中只剩下电阻成分R，即等效串联电阻。ESR必须在串联谐振频率（Fs） 测量得到，而不应在某一预定的并联谐振频率（FL）上测量。我们通常称在某一并联谐振频率上测得的谐振器的电阻为“有效”电阻（”effective” resistance）。一般地，晶体谐振器的ESR越小，其活性就越高，启动它所需的驱动功率也就越小。如ESR太大， 晶体可能不起振。 但是如果想要得到比标准规格更低的ESR，就要对晶片采用额外的加工工艺，从而引起产品的制造成本增加。 激励功率 激励功率，是指谐振器设计时规定的其工作时的消耗功率，以微瓦(μW)或毫瓦(mW)为单位。最大激励功率是指谐振器所能承受的最大消耗功率，在此功率下谐振器仍能维持正常工作，其电气参数保持正常数值。谐振器工作在过高或过低的激励功率下可能使其性能贬低。比如，如果激励功率太低，谐振器可能不起振或贬低其相位噪声性能；另一方面，激励功率太大，会导诸如致频率跳变（永久或暂时）、活力跳变点（与之有关的是频温曲线的不连续，异常跳变）、过速老化；极端情况下，甚至造成物理损坏。另外，用户规定的最大等效电阻ESR通常是在预先指定的激励功率下测量的。激励功率对ESR的测量有影响。所以谐振器应工作在合适的激励功率下。 基频模式和泛音模式 以厚度剪切模式振动的AT切高频晶体谐振器可以以基频或奇次泛音模式激励得到。石英晶体谐振器的工作模式决定了其振荡频率。例如，同一个谐振器可以其基频模式工作于10MHz，或以其泛音模式工作于大约30MHz（3次泛音）、50MHz（5次泛音）、70MHz（7次泛音）等。泛音模式的等效电路只需在图1的基频谐振器的等效电路基础上并联上相应的动态臂（R，C1，L1）支路（无需另外的C0）。泛音晶体谐振器的晶片必须经过特殊的表面研磨和平行度加工，以改善其性能。 频率牵引能力 石英谐振器的频率牵引能力是指以并联模式工作的谐振器其频率随负载电容变化而变化的一种函数关系。石英振器在某一给定的负载电容下其频率牵引的大小是其静电容及动态电容的函数，同时在不同的负载电容下其频率牵引能力也不一样。对于标准的晶体，其近似的的频率牵引大小可以从以下公式计算得到； FL – FS= FSC1 / 2(C0 +CL) 石英谐振器的频率牵引能力对于那些想要通过改变谐振器的负载电容从而获得多个频率的电路设计者来说是很重要的。例如，在某些应用方面（如VCXO，电压控制晶体振荡器），谐振器的并联谐振频率的变化是必须的，因而必须对所用的谐振器规定合适合适的频率牵引能力。 寄生响应或不需要模式 我们通常把石英谐振器中那些不是振动在基频或泛音模式的频率称为寄生或不需要模式。所有AT切石英谐振器都能在其各个泛音上谐振产生以厚度切变振动的主谐振模式，同样它们也可以谐振在这些主谐振频率之上的一些寄生频率上，它们是一些非谐厚度切变模式。谐振器的寄生受多方面因素的影响，包括晶片的外形尺寸、晶片的表面光洁度、电极膜层的尺寸和厚度以及装架的方式等。有些设计不良的谐振器其主谐振模式的等效串联电阻ESR甚至比其寄生模式的ESR还要大，导致在振荡器线路产生寄生振荡或频率跳变。由寄生引起的其它效应还有谐振器的电阻在温度变化下发生跳变等。寄生要求通常用所允许的寄生模式与主谐振模式的最小电阻比来规定。 在某些振荡器的设计中有时有必要规定对泛音模式的抑制要求。因为所有的泛音模式都可能被激励而振动，从而可能发生振荡器的频率从基频到3次泛音的模式跳变。为了减少线路修改的成本，使用合适设计的振荡器电路也是非常必要的。电路的修改有时可能影响其它参数，所以有必与晶体厂家咨询设计建议。 老化或长期稳定度 石英晶体谐振器的长期频率稳定度或老化是指谐振器在较长时间其间内的频率稳定度。通常用ppm/天或ppm/年作单位来表示。长期稳定度适用于谐振器由于退化而引起的永久频率变化的积累过程。石英谐振器的老化通常与时间成指数函数关系。所以谐振器的频率老化过程通常在其生产后的数月 内便完成待尽。所以可以通过高温使用、高温烘烤、温度循环等方法加速老化谐振器的频率。 石英谐振器的老化与诸多因素有关。最通常的有：内部污染，电极表面变化，金属疲劳，晶格的不可逆微小变化，材料气体释放，各种温度效应，装架应力及过高功率激励等。金属壳封装的10至20MHz石英谐振器的典型老化值为1.0-5.0ppm/1st year，而玻璃壳封装的老化可达到0.1 – 1.0 ppm / 1st year。 存储温度 存储温度范围是指当谐振器处于不振状态时可以存放或置露的最低及最高温度。当谐振器在最高或最低温度下存储或暴露一长段时期以后，所有的技术规格应在规定的工作温度范围内得到保证。
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| 1.2 石英晶体振荡器: 术语及定义 标称频率：晶体振荡器的中心或称谓频率。 封装：晶体振荡器有各种封装形式，从有引脚插孔型的到表面贴装类型的。各种尺寸及功能适用于不同的应用。 频率稳定度：相对于标称频率的频率偏差，这种偏差包括由制造过程、温度、工作电压偏差、负载偏差等各种因素引起的频率偏差。最通常的频率稳定度规格有： ±25，±50，±100 ppm。 工作温度范围：晶体振荡器的频率稳定度及其它电气、环境性能能得以符合规格要求的温度范围。军用级温度范围：-55 °C to +125 °C; 工业级: -40 °C to +85 °C; 消费级：0 °C to +70 °C. 频率老化：晶体振荡器使用一段时期后的频率相对变化。晶振频率老化的速度通常是按指数型函数规律变化的。典型的老化要求为 ± 5 ppm Max /年。 存储温度：器件能安全存放，不会导致器件损坏或性能改变的温度范围。 振荡器输出：晶体振荡器的输出是一个高稳定的参考信号。取决于电路使用的有源器件的技术，可以输出HCMOS, TTL, PECL, 正弦波等各种输出波形。 输出逻辑：大多数应用系统需要晶体振荡器的输出是TTL兼容，CMOS兼容，ECL兼容或几种逻辑的组合的兼容如TTL/HCMOS兼容等。 TTL/HCMOS 兼容：以ACMOS逻辑设计的振荡器，能驱动TLL和HCMOS负载同时能维持最小的逻辑高电平要求。 逻辑电平： 逻辑电平类型可以是正逻辑或负逻辑。正逻辑中，逻辑”1“电平要比逻辑”0"电平偏正；负逻辑中，逻辑“1”电平要比逻辑“0”电平偏负。 输出高电压（VOH)：在合适的负载下，振荡器输出逻辑“1”状态所必须达到的最小电压。 输出低电压 (VOL)： 在合适的负载下，振荡器输出逻辑”0“状态必须达到的最大电压。 扇出 (负载)： 振荡器驱动能力的一种度量。表示为单个输出波形能驱动的门电路的数量。在CMOS逻辑负载下，可以用一个以pF衡量的等效的负载电容来表示；在TTL负载电路下，可以用能够驱动的TTL的负载数量来表示，TTL负载电路由二极管，负载电阻及电容组成。如果负载量超过振荡器的额定负载值，可能发生输出信号的退化。 启动时间： 启动时间规定为振荡器输出信号达到RF输出幅度所需花费的时间。启动时间取决于振荡电路闭环时间常数和负载条件。 上升/下降时间(tr & tf): 上升时间定义为振荡器输出波形从低电平（逻辑0）转变到高电平（逻辑1）的过渡时间；下降时间定义为振荡器输出波形从高电平（逻辑1）转变到低电平（逻辑0）的过渡时间。过渡时间在规定的电平下测试，如对于HCMOS器件，在90%和10%的输出波形参考电平下测试下降时间。 顾客如果要求很快的上升/下降时间，就可能需要使用ECL/PECL的器件，即便HCMOS/TLL器件可以做那样的频率。增大负载会增大振荡器的上升/下降时间。 对称度或占空比： 由逻辑1高电平和逻辑0低电平周期组成的输出波形均匀性或形状的一种度量方式。它被定义为逻辑1电平的时间周期（TH）与一个完整波形的时间周期（T）的比值，对于TTL逻辑在1.4V下测试，对于CMOS和ECL逻辑，在波形峰峰值的50%参考电平下测试。 Sym=TH/T x 100%. 三态使能：通过对振荡器施加一个命令输入信号，使钟振的输出关闭或无效。当这个功能被启动时，振荡器就处于高阻抗状态。这个功能可以通过对振荡器施加一个命令信号让其和工作电路隔离开来。 输入电压和供给电压： 输入电流是振荡器在工作条件下消耗的电流大小。不同逻辑的振荡器需要不能的输入电流。供给电压是使用振荡器所需要的电压。通常有5V或3.3V。 相位噪声： 相位噪声是输出频率附近的一些小杂散信号频率。通常表达为：在在规定的相对于载波的偏离频率处，1Hz带宽里的单边带（single side band)功率密度。以单位dBc/Hz来计量。 抖动： 振荡器输出信号相位或频率调制的一种度量。 待机功能（Stand by function）： 内建于IC，为了节能可以暂时关闭振荡的一种功能。在振荡器的功能引脚上施加逻辑0电压就可以启动该功能。待机模式下的消耗电流为几个至几十个微安，通常为5微安左右。因为内部振荡被停止了，再次输出波形稳定最大需要10ms左右，同启动时间相当。 谐波失真（Harmonic distortion）： 由谐波频谱成分引起的相对于目标信号频率的非线性畸变。每一谐波成分可以用其电功率相对于期望信号的电功率的比值来表示，用dBc来计量。谐波失真的规格要求对于正弦波这种要求信号很干净，很少失真的信号来说尤为重要。
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| 1.3 电压控制晶体振荡器(VCXO): 术语及定义 电压控制晶体振荡器（VCXO）是一种内部集成了变容二极管及附属电路的石英晶体振荡器，可以通过改变施加在变容二极管上的电压大小，改变振荡电路的负载电容大小，从而改变振荡器的输出频率。 除了那些定义固定输出晶体振荡器的术语外，还有一些VCXO特有的特性术语。 控制电压 (VC): 施加于VCXO的一个外部输入电压。通过改变这个电压，输出频率会相应随着变化。通常控制电压范围有：0.5V to 4.5V，0V to 3.3V 频率牵引： 控制电压的改变所能引起的最小输出频率的变化。测量的单位为ppm。标准的牵引要求有：±50 ppm Min.， ±100 ppm Min. 牵引斜率极性： 表示VCXO频率跟随控制电压变化的的方向。 正的牵引斜率表示随着控制电压的增加，频率会随之增加。相反，如果随着控制电压的增加，频率会减小，那该VCXO就是具有负的牵引斜率。 线性度： 频率压控曲线与最佳频率-控制电压拟合直线之间的偏差度。如果一个VCXO的线性度规格要求是±10%，那么举例来讲，如果这个VCXO总的牵引能力是10KHz，那么实际的频率压控曲线与最佳拟合直线的偏差应在±1 kHz内（10KHz*±10%)。 反之，如果实际频率压控曲线与最佳拟合直线之间的最大偏差是20ppm，而VCXO总的牵引能力是200ppm，那线性度就是± 20 ppm/200 ppm = ± 10%，这是典型的VCXO的线性度数值。 输入阻抗： 电压控制源与VCXO Vc输入端的隔离程度的一种度量。典型的输入阻抗有>100 k Ohms，>5 M Ohms。 中心频率或标称频率： 用户规定的VCXO在中心控制电压下的输出频率。对于5V的应用产品，标准的中心控制电压为2.5V（控制电压范围2.5V ± 2.0V），而3.3V应用，中心控制电压为1.65V（控制电压范围1.65V± 1.5V）
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