晶振知識講座

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SY.晶振教程目錄1. 石英晶體………...……32. 石英晶體諧振器…….………………. 133.石英晶體振蕩器……..284.振蕩器的穩(wěn)定性……..365.我司實際使用的晶振相關(guān)介紹……………...……..546.石英晶體諧振器選用的注意事項……..…...……… 647.石英晶體諧振器在使用過程中的一些注意事項….691、石英晶體石英是什么石英是一種壓電材料，在自然界中是一種透明的結(jié)晶物，它有非常穩(wěn)定的壓電效應，其化學與機械上的特性在早期的電子實驗中就引起了極大的關(guān)注。石英的主要成份為二氧化硅，雖然地殼表面有14%是由二氧化硅所組成，但相對可使用的部份卻較稀少，主要是因為滿足不了需要的純度要求以它本身存在缺陷與瑕疵。

石英是擁有以下特性的唯一材料：

具有壓電效應

存在零溫度系數(shù)的切型

存在壓力補償?shù)那行?/p>

低損耗（高Q）

容易加工；在正常條件下，除了氟化物腐蝕劑，對所有物質(zhì)存在低溶性；硬而不脆。

自然界含量豐富；易于低成本大量生長，生成晶體有比較高的純度。

石英是什么石英晶體六角錐體兩頂點的連線稱為Z軸，又稱光軸；在Z軸垂直的橫截面上，六角形的三條對角線稱為X軸，又稱電軸；與X軸垂直的三條線稱為Y軸，又稱機械軸。若在電軸或機械軸方向?qū)κ⑵┘油饬κ蛊湫巫?，則垂直與該軸的方向上會產(chǎn)生符號相反、數(shù)值相等的電荷。STRAINEXTENSIONALalong:SHEARabout:FIELDalong:XYZXYZXYZXYZ石英的壓電效應壓電效應能使壓電晶體的機械特性和電路信號之間相互轉(zhuǎn)化。石英在電場的作用下，有五種機械變化。下頁顯示的變化模式可以在合適的電極位置和形狀下產(chǎn)生。常用Y-切系列，包括AT、BT和ST切。無形變X+++++++++++++++++++++____________________形變+++++++++++++++++++++____________________X-+YY__壓電效應彎曲模式延長模式對角拉伸模式厚度切割模式基頻厚度切割模式三次泛音厚度切割模式ModesofMotion0jX-jX電抗基頻3rd泛音5th

泛音FrequencySpuriousresponsesSpuriousresponsesSpuriousresponses石英晶體的泛音響應xxlyzTheAT,FC,IT,SC,BT,andSBTC-cuts是零溫度系數(shù)切型中的幾種。

LC是用于石英溫度計的一種線性溫度系數(shù)切型Y-cut:+90ppm/0C(厚度切割模式)X-cut:-20ppm/0C(延長模式)90o60o30o0-30o-60o-90o0o10o20o30oATFCITLCSCSBTCBTSinglyRotatedCutDoublyRotatedCut石英溫度系數(shù)切割角度rmRRRRrmYZAT-cutBT-cut49o35?o-1’0’1’2’3’4’5’6’7’8’-1’0’1’2’3’4’5’6’7’8’Y-barquartzZ2520151050-5-10-15-20-25-45-40-35-30-25-20-15-10-5051015202530354045505560657075808590ff(ppm)Temperature(oC)=35o20’+,=0for5thovertoneAT-cut=35o12.5’+,=0forfundamentalmodeplano-planoAT-cutAT-cut頻率溫度特性與切割角度的關(guān)系SC-cut的優(yōu)勢

瞬時溫度補償---能適應快速溫度變化能做成高穩(wěn)定的OCXOandMCXO---靜態(tài)和動態(tài)頻率溫度特性好

穩(wěn)定性高

驅(qū)動電平低

平面壓力補償---邊緣壓力和彎曲引起的f較小

對輻射的敏感度低

較高的電容比---振蕩器阻抗變化引起的f較小

電極形狀的敏感度低SC-cut的劣勢:制造恒溫晶振（OCXO）的難度大(它比AT-cut制成精確的溫補晶振（TCXO）

而言更易制成微機補償晶振（MCXO））SCandAT-cuts的比較2、石英晶體諧振器

需要外加IC才能振蕩石英晶體諧振器應用范圍

石英晶體諧振器是一種用于穩(wěn)定頻率和選擇頻率的電子器件，已被廣泛應用于無繩電話載波通訊、廣播電視、衛(wèi)星通訊、原子鐘、數(shù)字儀表、計算機程控交換機、VCD、DVD、彩電機頂盒、鐵路信號及通訊中的頻率信號源設備中，還可以作為溫度、壓力、重量的敏感元件使用，現(xiàn)被廣泛地應用于軍用載波、通訊設備與民用產(chǎn)品中。石英晶體諧振器的優(yōu)點1、穩(wěn)定性好，變化?。?、準確性好，精度高；3、低功耗，激勵功率??；4、固定性（非可調(diào)式）。BaseMountingclipsBondingareaElectrodesQuartzblankCoverSealPinsQuartzblankBondingareaCoverMountingclipsSealBasePinsTwo-pointMountPackageThree-andFour-pointMountPackageTopviewofcover石英晶體諧振器的構(gòu)造CLRSpringMassDashpot緩沖等效電路石英晶體振蕩模式、切角、頻率范圍、厚度或長度及曲率系數(shù)

{1.Voltagecontrol(VCXO)2.Temperaturecompensation(TCXO)SymbolforcrystalunitCLC1L1R1C0CL石英晶體諧振器等效電路石英晶體諧振器等效電路等效電路參數(shù)間關(guān)系參數(shù)解釋n:泛音次數(shù)C0:靜態(tài)電容C1:動態(tài)電容C1n:C1ofn-th

泛音L1:動態(tài)電感L1n:L1ofn-th

泛音R1:動態(tài)電阻R1n:R1ofn-th

泛音:石英介電常數(shù)40x10-13

pF/mm(average)A:電極面積t:白片厚度r:電容比r’:f1/fnfs:串聯(lián)諧振頻率fR

fa:并聯(lián)共振頻率Q：品質(zhì)因數(shù)1:時間常數(shù):角頻率=2f:阻抗相位角k：壓電耦合因數(shù)=8.8%forAT-cut,4.99%forSC0+-Reactance振蕩器通常工作區(qū)反共振,faFrequency諧振,fr石英晶體諧振器阻抗頻率特性封口烘焙微調(diào)最終清洗頻率檢查清洗檢查點膠安放支架準備電鍍厚度分類清洗蝕刻(化學試劑)倒角角度確認X射線測角度車圓疊片切割清洗石英生長設計測試成品晶體諧振器制作工藝SCoppertargetX-raysourceShieldingMonochromatorcrystal檢測器被測晶片Double-crystalx-raydiffraction（衍射）system測角器X-ray柱用X-ray測晶片方向

在制造過程中，污染必須得到控制，否則會帶來以下不良后果：

●穩(wěn)定性-老化-滯后-噪音-非線性和阻抗異常

-頻率突變●生產(chǎn)制造●

可靠性污染控制

晶片周圍環(huán)境和封裝過程對諧振器的穩(wěn)定性有重要影響。

單層能吸附的污染物質(zhì)在~1015

微粒/cm2

之內(nèi)(光滑表面)10-7托的真空度可含~109氣態(tài)微粒/cm3因此:在1cm3

的空間內(nèi)吸附的污染物質(zhì)是在10-7托的真空度內(nèi)所含氣態(tài)微粒的106

倍。這些吸附物質(zhì)將會導致老化、滯后、噪音等現(xiàn)象。

晶片周圍污染3

3、石英晶體振蕩器

內(nèi)含IC，外加電壓就可以振蕩調(diào)整電壓晶體諧振器放大器輸出頻率石英晶體振蕩器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在某一振蕩的頻率下其閉環(huán)相移=2n.

當有激勵時，最初僅產(chǎn)生噪聲信號。噪聲中只有那些頻率滿足振蕩相位條件的，才能形成振蕩且幅度增加。

幅度增加的比例取決于外部條件，如激勵信號、閉環(huán)增益、晶體所在網(wǎng)絡的帶寬等。

幅度一直增加，直到因元件的非線性或自動增益控制引起的增益下降為止。

在穩(wěn)定狀態(tài)下閉環(huán)增益=1。振蕩

XO…………..CrystalOscillator晶體振蕩器

VCXO………VoltageControlledCrystalOscillator壓控晶體振蕩器

OCXO………OvenControlledCrystalOscillator恒溫晶體振蕩器

TCXO………TemperatureCompensatedCrystalOscillator

溫度補償晶體振蕩器

TCVCXO..…TemperatureCompensated/VoltageControlled

CrystalOscillator溫度補償/壓控晶體振蕩器

OCVCXO.….OvenControlled/VoltageControlledCrystalOscillator

恒溫/壓控晶體振蕩器

MCXO………MicrocomputerCompensatedCrystalOscillator

微機補償晶體振蕩器

RbXO……….Rubidium-CrystalOscillator銣晶體振蕩器晶體振蕩器縮寫根據(jù)晶體的溫度頻率特性，將晶體分為三類：

XO,crystaloscillator,不含溫度頻率特性.在整個溫度范圍內(nèi)，晶振的頻率穩(wěn)定度取決于其內(nèi)部所用晶體的性能，頻率穩(wěn)定度在10-5量級，一般用于普通場所作為本振源或中間信號，是晶振中最廉價的產(chǎn)品。

TCXO,temperaturecompensatedcrystaloscillator,

溫度補償型.它是在晶振內(nèi)部采取了對晶體頻率溫度特性進行補償措施，以達到在寬溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。一般模擬式溫補晶振采用熱敏補償網(wǎng)絡，補償后頻率穩(wěn)定度在10-7~10-6量級。由于其具有良好的開機特性、優(yōu)越的性能價格比及功耗低、體積小、環(huán)境適應性較強等多方面優(yōu)點，因而獲行了廣泛應用。

OCXO,ovencontrolledcrystaloscillator,恒溫控制型.它是采用精密控溫，使電路元件及晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點上的晶體振蕩器。中精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度為10-7~10-8，高精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度在10-9量級以上。它主要用作頻率源或標準信號。晶體振蕩器的種類TemperatureSensorCompensationNetworkorComputerXO

TemperatureCompensated(TCXO)-450C+1ppm-1ppm+1000CTOvencontrolXOTemperatureSensorOven

OvenControlled(OCXO)-450C+1x10-8-1x10-8+1000CTVoltageTuneOutput

CrystalOscillator(XO)-450C-10ppm+10ppm250CT+1000C不同晶體振蕩器的溫度曲線TCXO補償后的頻率可變電容CL的補償電壓Frequency/Voltage未得補償?shù)念l率T溫度晶體振蕩器頻率溫度補償特性

參數(shù)切型,泛音切型角度公差白片電鍍后頻率公差活性滯后作用(-550Cto+850C)年老化率

MCXOSC-cut,3rdLooseLooseLow10-9to10-810-8to10-7

TCXOAT-cut,fund.TightTightSignificant10-7to10-610-7to10-6MCXO-TCXO比較4、振蕩器的穩(wěn)定性精確但不準確不精確也不準確準確但不精確即準確又精確TimeTimeTimeTime穩(wěn)定不準確不穩(wěn)定也不準確準確但不穩(wěn)定即穩(wěn)定又準確0ffff準確度、精確度和穩(wěn)定性的關(guān)系

時間

?短期(噪聲)?中期(例如溫度波動的影響)?長期(老化率)溫度

?溫度對靜態(tài)頻率的影響?溫度對動態(tài)頻率的影響(如加熱、熱沖擊)?Thermalhistory("hysteresis,""retrace")加速度

?重力

?噪聲?振動 ?震動電離輻射

?穩(wěn)定狀態(tài) ?光子(X-rays,-rays)?脈沖 ?粒子(中子,質(zhì)子,電子)其它?電源電壓 ?濕度?磁場

?大氣壓力 ?負載電阻對諧振頻率有影響的因素3210-1-2-3t0t1t2t3t4TemperatureStep振動震動振蕩器的開啟和關(guān)斷2-gTipover輻射Timet5t6t7t8老化率OffOn短期不穩(wěn)定理想狀態(tài)下上述各種因數(shù)隨時間的推移對頻率的影響510152025Time(days)短期不穩(wěn)定(噪聲)f/f(ppm)3025201510老化和短期穩(wěn)定性的關(guān)系f/fA(t)=5ln(0.5t+1)TimeA(t)+B(t)B(t)=-35ln(0.006t+1)典型老化特性穩(wěn)定頻率(理想振蕩器)不穩(wěn)定頻率(實際振蕩器)Time(t)Time(t)V1-1T1T2T31-1T1T2T3V(t)=V0sin(20t)V(t)=[V0+(t)]sin[20t+(t)](t)=20t(t)=20t+(t)

V(t)=振蕩器輸出電壓,V0=正常峰值電壓振幅(t)=噪聲的振幅, 0=載波頻率(t)=瞬時相位,

(t)=異常相位V短期不穩(wěn)定性(噪聲)振幅不穩(wěn)定性頻率不穩(wěn)定性相位不穩(wěn)定性-Voltage+0Time振蕩器瞬時輸出電壓

振蕩器工作的狀態(tài)和可遇見性變差

影響諧振和同步的精度

限制接受器的可用動態(tài)范圍、頻道間隔、選擇性；影響抗干擾能力

影響雷達性能（特別是多普勒雷達）

引起時序錯誤

引起數(shù)字通訊的位碼錯誤

限制通訊系統(tǒng)用戶數(shù)量，因為發(fā)射機的噪聲會對鄰近頻道的接受器產(chǎn)生干擾

影響航海精度

影響窄帶諧振器的鎖定能力

引起失鎖；影響鎖相環(huán)系統(tǒng)保持和鎖定振蕩器噪聲的影響

主要因素：切割角度

次要因素:

泛音

白片形狀（外型、幾何尺寸）

材料純度和應力

裝配&焊接壓力(大小和方向）

電極（大小、形狀、厚度、密度、壓力）

驅(qū)動電平

干擾模式

負載電抗（大小和溫度系數(shù)）溫度變化的速率

受熱過程

電離輻射

諧振器頻率溫度特性的決定因素

采用補償反饋技術(shù)可得105

的熱增益(如：測量外界溫度和調(diào)節(jié)補償電熱調(diào)節(jié)器的設置點)。例如，如果外部DT=100oC

，內(nèi)部DT=1mK

，則可獲得105

的熱增益。

優(yōu)良放大器的穩(wěn)定性為1mK/K

電熱調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性在1mK/年～100mK/年

噪聲<1mK(包括電熱調(diào)節(jié)器的噪聲、放大器的噪聲、整流電流的噪聲)

溫度波動的量子級限制為1nK

最佳恒溫設計能提供較高的頻率溫度穩(wěn)定性

恒溫穩(wěn)定性的要求{Deviationfromstaticfvs.t=,where,forexample,-2x10-7s/K2foratypicalAT-cutresonator

Time(min)烘箱加熱時間FractionalFrequencyDeviationFromTurnoverFrequency369121510-310-410-5-10-610-710-8-10-8-10-710-60加熱對AT-和SC-cut諧振器的影響T攝氏度SC-cutr=Co/C1=746=0.13012840-4-8-12-502004507009501200145017001950*10-6負載電容

對頻率溫度特性的影響(ppm)53MT,0C50403020100-10-20-30-50-100-80-40-20-020406080

AT-cut參考切割角()比泛音模式高8分.(

SC-cut泛音模式的參考切割角()又高30分)1-60-40諧波對頻率溫度特性的影響在高電平驅(qū)動時，因石英的非線性使諧振曲線變得不對稱NormalizedcurrentamplitudeFrequency10-610W100W400W4000W幅頻特性FrequencyChange(partsin109)806040200-201002003004005006007005MHzAT3diopter10MHzSC2diopter10MHzSC1diopter10MHzSC10MHzBT晶體電流(微安)頻率和驅(qū)動電流的關(guān)系10-310-210-1110100ResistanceR1IX(mA)不規(guī)則起始電阻正常工作范圍驅(qū)動電流的影響驅(qū)動電流和電阻的關(guān)系

晶體振蕩器沒有內(nèi)在失效機制。有些可以工作數(shù)十年也沒有出現(xiàn)失效。振蕩器失效（超出規(guī)格范圍）有時是以下原因造成：

較差的制作工藝和品質(zhì)控制。例：焊點松動、封裝漏氣、材料偶然故障。

因老化嚴重且調(diào)整范圍不足，頻偏超出標準范圍。

因老化影響，TCXO的頻率溫度特性退化。

因溫度設置點的漂移，OCXO的頻率溫度特性退化。因頻繁的浸漬使振蕩停止、頻偏超出標準范圍、在某些溫度下變成噪音。

因使用未清潔的晶片或電路元件參數(shù)選擇不當使在電離輻射時，振蕩停止、頻偏超出標準范圍。

因振動引起的噪聲使振蕩器噪聲超標。

因表面加工不當，沖擊時使晶片破裂。

晶體振蕩器失效原因5、我司實際使用的晶振相關(guān)介紹27MHz--49US產(chǎn)品規(guī)格書（1）

1.

頻率：27.000MHz2.

頻差：（25℃±2℃）±30PPm3.

外形：HC-49US4.

振動模式：AT-基頻5.

工作溫度：-20℃-70℃6.

溫度頻差：±30PPm（-20℃-70℃）7.

貯存溫度：-55℃-125℃8.

激勵功率：0.1mwMAX9.

負載電容：20PF10.

靜電容：7PFMAX27MHz--49US產(chǎn)品規(guī)格書（2）11.

等效電阻：40ohm12.

絕緣電阻：500MegaohmMIN./DC100V13.

DLD2：9ohmMAX（0.01uw，0.18uw，0.32uw，1uw，5uw，20uw，50uw）14.

RLD2：40ohmMAX（0.01uw，0.18uw，0.32uw，1uw，5uw，20uw，50uw）15.

年老化率：±5PPm/year16.

跌落測試：在75cm高處自由落體在硬木板上3次，頻率偏差小于±5PPm，電阻偏差小于±15%相應參數(shù)介紹（1）1、標稱頻率

該頻率特指晶體技術(shù)條件中規(guī)定的頻率，表示為MHz或KHz。2、調(diào)整頻差標稱頻率在一定溫度（一般是25℃）下的允許偏差，表示為百分數(shù)（%）或百萬分之幾（ppm）。3、頻率穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指標稱頻率在一定溫度范圍內(nèi)的允許偏差，規(guī)定在25℃下，此項偏差為0，以標稱頻率的百分數(shù)（%）或百萬分之幾（ppm）來表示。如前所述，這個參數(shù)與石英晶片的切角密切相關(guān)。4、工作溫度范圍

石英晶體元器件在規(guī)定的誤差內(nèi)工作的溫度范圍。

相應參數(shù)介紹（2）5、溫度頻差在規(guī)定條件下，在工作溫度范圍內(nèi)相對于基準溫度（25℃±2℃）時工作頻率的允許偏差。6、儲存溫度

晶體在非工作狀態(tài)下保持標準特性的溫度范圍。7、激勵功率

晶體工作時所消耗功率的表征值。最大功率是大多數(shù)功率器件在保證正常電氣參數(shù)的情況下，維持工作所消耗的功率，單位為mW或uW。一般情況激勵功率應維持在確保石英晶體正常起振和穩(wěn)定振蕩所需要的最低值，以避免年老化特性不良和晶體損傷。

相應參數(shù)介紹（3）8、負載電容（CL）

與晶體一起決定負載諧振頻率的有效外界電容。任何外部電容一旦與石英晶體串聯(lián)，即會成為其諧振頻率的一個決定因素。負載電容變化時，頻率也會隨之改變。因此，在電路中使用時，經(jīng)常會以標準負載電容來微調(diào)頻率至期望值。9、靜態(tài)電容（C0）

等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容。10、等效串聯(lián)電阻（Rr）

晶體在諧振頻率下的電阻值，單位為歐姆。11、絕緣電阻

引線之間或引線和殼體之間的電阻。

相應參數(shù)介紹（4）12、DLD2

在特定的功率范圍內(nèi)所測量到的最大與最小阻抗的偏差量。13、RLD2

在指定的變化功率范圍內(nèi)測量到的最大阻抗。14、老化

工作頻率在特定時間范圍內(nèi)的變化量，一般表達為最大值，單位是每年頻率變化量的百萬分之幾（ppm/年）。頻率隨時間而變化的原因有很多，如：密封性和完整性、制造工藝、材料類型、工作溫度和頻率。實際晶振測試示例（1）KH-1200PI-NetworkCrystalMeasurementSystem(v2.39)Ref.Freq.:27.000000MHzPower:100.000uWinto25.0ohmSearchrange:1000ppmMode,Type:Fundamental,ATTimebase:InternalDLD[auto]:0.100uW->50.000uWin5step(s)[LogScale]DLDscanmode:Low->HighReferenceto:Lowestdrivelevelpoint實際晶振測試示例（2）我司目前做的環(huán)境性能試驗1、自由跌落將晶振從75cm高度引線向上跌落在3cm厚的硬質(zhì)木板上，連續(xù)3次，恢復1小時后測試，要求△F<10ppm。2、高溫儲存將晶振置于105±2℃環(huán)境中保持48小時，然后在室溫中恢復1小時后測試，要求△F