石英晶體應(yīng)用與可靠性_圖文

1、石英晶體 英 體 應(yīng)用與可靠性 C Copyright, i ht 1998 © 2003 © ©, Arthur Arth rL Lee Technical Director 1 Hong Kong Xtals Limited. 什么是石英晶振？ 生產(chǎn)工程師 生產(chǎn)工程師： 當(dāng)你的電子板出現(xiàn)問題，它是第 當(dāng)你的 子板 現(xiàn)問題 是第 一個(gè)被替代的元件！ 采購人員： 是一種很難找到”可靠”供應(yīng)商的 元件！ 研發(fā)工程人員： 一個(gè)難以理解的小黑盒！ Hong Kong Xtals Limited 2 什么是石英晶振？ 晶振是一個(gè)壓電元件，即： 能量在電能與機(jī)械能狀態(tài)下每

2、秒轉(zhuǎn)換百萬次 所以，壓電元件的規(guī)格特性要求不同於其他純電氣或 純機(jī)械的元件 : 電阻純電氣 螺釘純機(jī)械 Hong Kong Xtals Limited 3 HC-49U石英晶體的結(jié)構(gòu) 外殼 殼 兩面銀電極 機(jī)械能 Mechanical Energy Stress and Motion 石英晶片（白片） 導(dǎo)電銀膠 壓力和及運(yùn)動(dòng) 壓力和及 動(dòng) 底座 注入干凈、 注入干凈 干燥的惰性 氣體 電能 Electrical Energy Voltage & Current 電壓及電流 4 Hong Kong Xtals Limited 石英晶體的(簡化理論模型 L1, , C1 : 機(jī)械能應(yīng)力及運(yùn)

3、動(dòng) 電能電壓及電流 Co : 靜電容 RS ( ESR : 能量耗損 Rs : (ESR E R Equivalent i l tS Series i R Resistance it 串聯(lián)電阻 Co : (Shunt Capacitance Electrode Capacitance靜電容 C1 : (Cm Motional Capacitance 動(dòng)態(tài)電容 L1 : (Lm Motional Inductance 動(dòng)態(tài)電感 5 Hong Kong Xtals Limited 晶體抗特性晶體阻抗特性 Rs，Co，C1和L1會(huì)提供關(guān)于晶體阻抗跟頻率的關(guān)系，此關(guān)系可用數(shù)學(xué)計(jì)算但其有效范圍只是在工作

4、此關(guān)系可用數(shù)學(xué)計(jì)算。但其有效范圍, 只是在工作頻率的幾百ppm附近。 J part of Crystal Impedence晶體阻抗的J部份Hong Kong Xtals Limited6頻率如何標(biāo)定晶體規(guī)格 如何標(biāo)定晶體規(guī)格?首先需了解你電子線路的特性; 從而標(biāo)定晶體的電子規(guī)格標(biāo)定晶體的電子規(guī)格。然後再加上產(chǎn)品的環(huán)境要求, 從而標(biāo)定晶體。再而考慮加上晶體有關(guān)的可靠性規(guī)格。 Hong Kong Xtals Limited7 電子線路與產(chǎn)品要求 Copyright 1998©2003©8Copyright, 1998 ©, 2003 ©Hong Kong

5、Xtals Limited.簡單的英振蕩結(jié)構(gòu)簡單的石英振蕩器結(jié)構(gòu) 振蕩器有3個(gè)主要部份 :放大器放大器,相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和晶體晶體僅為整個(gè)振蕩器環(huán)路中三個(gè)部份中的其中一9部份.Hong Kong Xtals Limited振蕩的等效模式振蕩器的等效模式 D i L lHong Kong Xtals Limited10Drive Level =Vx * IxVxRL XLe= - XCL 線路基本特性 (簡化 放大器和相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的特性( 簡化:增益&相移->負(fù)阻>FR FL (相移-> FR 或FL (及CL 電壓振幅及相移-> 激勵(lì)電平小波幅增益-> 起功特

6、性Hong Kong Xtals Limited11如何測(cè)量電路參數(shù) 如何測(cè)量電路參數(shù)?相當(dāng)困難!晶體是在高阻抗及小電容下操作的.因此,插入任何測(cè)試探針都將影響它的操作環(huán)境:示波器探頭(2PF20PF:太大矢量電壓表探頭(50Ohm:負(fù)荷太大建議將你的PCB板送交晶體供應(yīng)商測(cè)試建議將你的PCB板送交晶體供應(yīng)商測(cè)試.Hong Kong Xtals Limited12 負(fù)阻抗及最大ESR 振蕩線路的負(fù)阻是線路能維持正常工作時(shí)(正常振蕩波幅, 晶體的可容許最大阻抗不過在以下情況下負(fù)阻抗可能有變化的可容許最大阻抗。不過，在以下情況下負(fù)阻抗可能有變化:電源變化溫度變化元件批量的誤差啟動(dòng)晶體的電阻可能隨激

7、勵(lì)電平及溫度的變化而變化。因此，通常情況下，建議標(biāo)定晶體的最大電阻等于負(fù)阻抗的1/3(到1/10。Hong Kong Xtals Limited13激勵(lì)電的定義激勵(lì)電平的定義 字面上的定義,很簡單,激勵(lì)電平（工作狀態(tài)）=能量在晶體中的消耗=電壓Vx與電流Ix的矢量積類似電阻的功率,但電阻的標(biāo)定功率是指最大可容許功率,對(duì)晶體而言標(biāo)定最大的激勵(lì)電平是毫無意義的的激勵(lì)電平是毫無意義的.對(duì)電阻你只會(huì)要求多少%的精度，而不會(huì)要求多少個(gè)ppm(parts per million 百萬分之幾 的精度。對(duì)晶體你要求多少個(gè)ppm的精度就必須標(biāo)明工作狀態(tài)的激勵(lì)電平(功率對(duì)晶體，你要求多少個(gè)ppm的精度，就必須標(biāo)明

8、工作狀態(tài)的激勵(lì)電平(功率工作狀態(tài)的激勵(lì)電平其取決于線路,而不是晶體.晶體生產(chǎn)廠家在此激勵(lì)電平下測(cè)試晶體晶體生產(chǎn)廠家在此激勵(lì)電平下測(cè)試晶體.電流測(cè)試會(huì)影響相角(CL.Hong Kong Xtals Limited14( 什么是負(fù)載電容 (CL ?Load 負(fù)載電容反映線路的相位偏移。Negative Resistance Capacitance 晶體可以在0到90度之間任一相移下工作,所以,每只晶體都有”串聯(lián)諧振”和”負(fù)載諧振”晶體制造廠家會(huì)在特定的相位下調(diào)整晶體的頻率般在合理範(fàn)圍(12F 的頻率。一般在合理範(fàn)圍(>12pF,不會(huì)影響只會(huì)影響銷售/存貨等間接成本RL XLe= - XCL成

9、本。調(diào)整線路的負(fù)載電容可能影響線路的負(fù)阻Hong Kong Xtals Limited15對(duì)合理用量(50K/月 的產(chǎn)品不用考慮甚么是”標(biāo)準(zhǔn)”負(fù)載電容。 FS, FR, FL and FA 晶體阻抗及頻率曲線F A tiFr ( CL = infinity Fa = （Anti-Resonance Frequency延 伸到無窮值的阻抗J部份的頻率;沒有必要標(biāo)定FAFrequencySmaller CLLarger CL FS, RS and FR, RR在零相位時(shí): 晶體頻率= FR ( Resonant Frequency諧振頻率 . 2Impedance = RR , No imagin

10、ary part阻抗=RR,虛部為零Fs 為諧振頻率(零相位，F(xiàn)s為串聯(lián)頻率, 定義不同；60MHz以下：Fs = Fr，Rs(ESR = Rr120MH 以上由于C0的阻抗晶體沒有零相位因此Co120MHz以上：由于C0的阻抗，晶體沒有零相位，因此，F(xiàn)R及RR不存在。 FL, RL and FP, RP 在零相位(包括外接負(fù)載CL Frequency =FL FP 為同義q y (RS 2 . Ideal (RL 會(huì)有比較大的測(cè)試誤差,因此不要在規(guī)格內(nèi)標(biāo)定。請(qǐng)標(biāo)定ESR。不過故設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮不過，RL 是線路上體現(xiàn)出的實(shí)際阻抗, 故設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮。如何標(biāo)定頻率電如何標(biāo)定頻率及電阻 描述振蕩器

11、在運(yùn)作中的精確頻率,如下:如果你想要3rd O/T 36MHz,請(qǐng)描述36MHz,不是12MHz.如果電路在零相位請(qǐng)描述:Fr,及Rr 等如果電路在滯后相位請(qǐng)描述FL CL及如果電路在滯后相位請(qǐng)描述: FL,CL及RR如何標(biāo)定Co? 如果你的頻率在100MH以下那么C的值如果你的頻率在100MHz以下,那么Co的值就不重要了.在這種情況下,標(biāo)定Co<7pF是無害的,且Co 7p 是無害的,且亦毫無意義. 高頻時(shí)如何標(biāo)定 高頻時(shí),如何標(biāo)定Co在高頻率下(約>100MHz，Co的阻抗值變得非常小，因此Fr不存在(沒有零相位此時(shí)晶體就象一個(gè)電容器存在(沒有零相位，此時(shí)，晶體就象一個(gè)電容器

12、通常需要外加電感來抵銷Co, 以得出零相位 。在這種情況下, 需要標(biāo)定Co = 供應(yīng)商提供值+/-15% Hong Kong Xtals Limited21牽引的規(guī)格 需要在晶振工作時(shí)改變振蕩器頻率這種應(yīng)用為牽引應(yīng)用(如FM,VCXO,PLL FSK 等用這其中的任何個(gè)參數(shù)說明拉力都是獨(dú)立用這其中的任何一個(gè)參數(shù)說明拉力都是獨(dú)立有效的:Ts,FL1-FL2,DF這些參數(shù)也可說明牽引量,但較為間接C1L1C Q 盡量不要采用:C1,L1,Co,Q, 盡量不要采用。Hong Kong Xtals Limited22牽引量的規(guī)格 需要在晶振工作時(shí)改變振蕩器頻率這種應(yīng)用為牽引應(yīng)用(如FM,VCXO,PL

13、L FSK 等,就需要標(biāo)定牽引量: Ts 如, , 等,就需要標(biāo)定牽引量Trimming Sensitivity 計(jì)量單位為ppm/pF Ts1Co CL 用這其中的任何一個(gè)參數(shù)來標(biāo)定牽引量都是獨(dú)立有效的T FL1FL2DF:Ts,FL1-FL2,DF在高牽引量的應(yīng)用，可中考慮使用Fs。如果用在簡單的振蕩器應(yīng)用規(guī)定最大可容許的Ts可得到Hong Kong Xtals Limited23如果用在簡單的振蕩器應(yīng)用,規(guī)定最大可容許的Ts可得到更高的Q值。不多次重覆標(biāo)定牽引量特性 不要多次重覆標(biāo)定牽引量特性僅用一個(gè)參數(shù)說明牽引量s Effective g r a n g e pulling range

14、P u l l i n Co C1Ts每個(gè)晶體僅有一個(gè)牽引量特性,如再多一些標(biāo)定只會(huì)產(chǎn)生混亂及矛盾。Hong Kong Xtals Limited24不用來標(biāo)定牽引量 不要用Co來標(biāo)定牽引量L1,Co,Q只是間接體現(xiàn)牽引力.不同的晶體設(shè)計(jì)生產(chǎn)工蕓及材料即使晶體不同的晶體設(shè)計(jì)，生產(chǎn)工蕓及材料，即使晶體的Co相同，其牽引也可能不同。因此，不要用Co來表示牽引量用Co來表示牽引量。一些晶體生產(chǎn)廠可能會(huì)用C1對(duì)牽引量作晶體生產(chǎn)過程的控制，這是可以接受的.Hong Kong Xtals Limited25AT切溫度特性AT 切溫度特性 對(duì)AT切,通常溫度變化-10至+60,頻率在+/-30到50ppm是

15、很容易做到的=0PPM通常設(shè)25度C為參考點(diǎn) 0 PPM50 1030/ p p m -10F r e q u e n c y D e v i a t i o n -30Hong Kong Xtals Limited26-5Te m p e r a tu r e / C e lc iu sBT切溫度特性 溫度變化時(shí)BT切頻率通常變化大于200PPM習(xí)慣上25度C為0PPM 參考點(diǎn)?？煽紤]25度C為80PPM 參考點(diǎn)跌落能力較強(qiáng)，成本較低。Temperature (degree C 0-50-30-101030507090Temperature ( degree C -300-200-100i

16、a t i o n -600-500-400300r e q . d e v ( p p m Hong Kong Xtals Limited27BT Cut Temperature characteristic-700600F音基頻泛音和基頻 Hong Kong Xtals Limited28頻率散差的誤差估算 z要素1：最重要是你的產(chǎn)品最大可允許的頻率誤差是多少? z要素2：晶體工作在Fs上還是在FL上(CL是多少?這會(huì)影響到測(cè)量誤差z要素3：線路需要頻率牽引嗎? (FM,PLL,VCXO 等,需頻率牽引這會(huì)影響晶體的測(cè)量誤差及頻率的變化會(huì)隨牽引 這會(huì)影響晶體的Ts，測(cè)量誤差及頻率的變化會(huì)隨

17、外部元件而有所改變。z要素4：在線路上是否有調(diào)頻元件，(例如VC或者VL測(cè)試偏差及器件變化在生產(chǎn)時(shí)可以糾正。Hong Kong Xtals Limited29頻率總誤差之估算(沒有VC 線路中無可調(diào)元件，例如VC可調(diào)電容）或者VL可調(diào)電感）Example :注意：測(cè)量誤差可能會(huì)很大!這估算還未包含電源及溫度對(duì)半導(dǎo)體的影響Tolerance at Room Temperature30 ppm+Measurement error (=0.5pF×Ts of Crystal10 ppm(p y pp +Component tolerance (=0.5pF×Ts of Cryst

18、al10 ppm+Tolerance over Temperature30 ppmp pp +Aging for 1st year5 ppm<=Your Total Allowable Tolerance say, 100ppm 85ppm Hong Kong Xtals Limited30Your Total Allowable Tolerance say, 100 ppm85 ppm頻率總誤差之估算(有 頻率總誤差之估算(有VC線路中有可調(diào)元件，例如VC可調(diào)電容）或者VL可調(diào)電感）注意：這估算還未包含電源及溫度對(duì)半導(dǎo)體的影響如果標(biāo)定的CL不對(duì),你有可能調(diào)不到所需要的頻率。Exampl

19、e :Tolerance at Room Temperaturetuned to 0例如：+Measurement errortuned to 0+Component tolerancetuned to 0+Tolerance over Temperature30 ppm+Aging for 1st year5 ppmHong Kong Xtals Limited31<=Your Total Allowable Tolerance say, 50 ppm35 ppm結(jié)論通用晶體規(guī)格 結(jié)論：通用晶體規(guī)格石英晶體的基本參數(shù)頻率，電阻，CL，CO，L1及C1牽引能力室溫頻差和溫度變化范圍頻差A(yù)

20、T切或者BT切基頻及泛音Hong Kong Xtals Limited32 可靠性 33Copyright, 1998© Hong Kong Xtals Limited.可靠性 可靠性：睡眠晶體 DLD：激勵(lì)電平倚賴性啟動(dòng)電阻跌落測(cè)試寄生模式Hong Kong Xtals Limited34溫度循環(huán)睡晶體睡眠晶體 在晶體行業(yè)中，睡眠晶體是眾所周知的：因睡眠現(xiàn)象而不起振的晶體常受到外界的激勵(lì)（機(jī)械或者因睡眠現(xiàn)象而不起振的晶體，常受到外界的激勵(lì)（機(jī)械或者電子的 會(huì)重新工作，然而過了一段時(shí)間之后，晶體又會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)不起振。晶體再次進(jìn)入睡眠的時(shí)間是無法估計(jì)或預(yù)測(cè)到的短則晶體再次進(jìn)入睡眠的時(shí)

21、間是無法估計(jì)或預(yù)測(cè)到的，短則幾分種，長則幾個(gè)月.并不是所有的廠家都知道怎樣避免生產(chǎn)出睡眠晶體，因而有些廠家不愿意跟晶體用戶一起討論這一話題。根本原因：生產(chǎn)晶振時(shí)潔凈度不足無法醫(yī)治睡眠晶體早晚會(huì)再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)無法醫(yī)治：睡眠晶體早晚會(huì)再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)測(cè)試方法：激勵(lì)電平依賴性或強(qiáng)激勵(lì)Hong Kong Xtals Limited35激勵(lì)電依賴性或起動(dòng)抗 激勵(lì)電平依賴性或起動(dòng)阻抗與睡眠晶體相似，但情況比較輕微。如果你的線路有起振問題，你必須指定額外的，在微激勵(lì)下阻抗需求。DLD 規(guī)格來自線路上的激勵(lì)電平和始起增益。不要提出過嚴(yán)要求因?yàn)闀?huì)增加成本不要提出過嚴(yán)要求，因?yàn)闀?huì)增加成本。7 456123ESR

22、 Hong Kong Xtals Limited36Drive Level在10nW, 時(shí), Rs=37在100uW Rs=31, 非最理想的生產(chǎn)工藝. 但可DLD 晶體常規(guī) 考慮實(shí)際的振蕩線路，晶體可能是可接受的，也可以是不能接受的。這變化因激勵(lì)的上限引至，并非生產(chǎn)工藝不好。KolinkerKH1200Test dataHong Kong Xtals Limited37DLD規(guī)格的制定 諮詢晶體供應(yīng)商你的線路激勵(lì)功率及線路是否有啟動(dòng)問題。規(guī)格與晶體供應(yīng)商共同標(biāo)定DLD 規(guī)格。Hong Kong Xtals Limited38跌落測(cè)試 非常重要的可靠性參數(shù)如果晶振加工不良，運(yùn)輸過程亦可做成不良

23、不要提出過嚴(yán)要求，因?yàn)闀?huì)增加成本。普通的跌落指標(biāo)：16M 以下50 cm 跌落三次>= 16 MHz35 cm 跌落三次建議採用沖擊測(cè)試替代, 如:1000 g, 半正弦波, 0.24 mSec, 三次Hong Kong Xtals Limited39寄生模式 寄生振蕩總是存在的寄生模式是由于主振（AT 厚度切變）的振動(dòng)能量藕合至其它不需要的振動(dòng)方式而引起的，就象你敲擊吉他上的弦而產(chǎn)生的基頻，它總會(huì)伴隨著產(chǎn)生其它的諧音和非諧音的頻率、偶合(couple mode的同義名詞:寄生(Spurious mode;非諧音(Inharmonic mode;不要的振蕩(unwanted mode需要的最小比率規(guī)格：電阻（寄生模式）/電阻（主振模式）> 2.5如果