晶振基礎(chǔ)知識(shí)

1、 晶振基礎(chǔ)知識(shí)（第一版）摘要：本文簡(jiǎn)單介紹了晶體諧振器和晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)，工作原理，振蕩器電路的分類，晶體振蕩器的分類，晶振類器件的主要參數(shù)指標(biāo)和石英晶體基本生產(chǎn)工藝流程。一、振蕩電路的定義，構(gòu)成和工作原理1二. 晶體振蕩器分類：15三、石英晶體諧振器主要參數(shù)指標(biāo)17四、石英晶體振蕩器主要參數(shù)指標(biāo)18五石英晶體基本生產(chǎn)工藝流程25一、振蕩電路的定義，構(gòu)成和工作原理1. 振蕩器：不需外加輸入信號(hào)，便能自行產(chǎn)生輸出信號(hào)的電路，通常也被成為。2. 振蕩器構(gòu)成：諧振器（選頻或?yàn)V波）+驅(qū)動(dòng)（諧振）電路構(gòu)成振蕩器電路。3. 諧振器的種類有：RC諧振器，LC并聯(lián)諧振器，陶瓷諧振器，石英（晶體）諧振器，原子諧

2、振器，MEMS（硅）振蕩器。本文只討論石英晶體諧振器。石英諧振器的結(jié)構(gòu)石英諧振器，它由石英晶片、電極、支架和外殼等部分組成。它的性能與晶片的切割方式、尺寸、電極的設(shè)置裝架形式，以及加工工藝等有關(guān)。其中，晶片的切割問題是設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的關(guān)鍵問題。由于石英晶體不是在任何方向都具有單一的振動(dòng)模式（即單頻性）和零溫度系數(shù)，因此只有沿某些方向切下來的晶片才能滿足設(shè)計(jì)要求。BaseMountingclipsBonding areaElectrodesQuartzblankCoverSealPinsTop view of coverMetallicelectrodesResonatorplate subs

3、trate(the “blank”)普通晶振內(nèi)部結(jié)構(gòu)石英晶體振蕩器主要由基座、晶片、IC及外圍電路、陶瓷基板（DIP OSC）、上蓋組成。膠點(diǎn)基座晶片Bonding 線IC普通晶體振蕩器原理圖4. 振蕩電路的振蕩條件：（1）振幅平衡條件是反饋電壓幅值等于輸入電壓幅值。根據(jù)振幅平衡條件，可以確定振蕩幅度的大小并研究振幅的穩(wěn)定。（2）相位平衡條件是反饋電壓與輸入電壓同相，即正反饋。根據(jù)相位平衡條件可以確定振蕩器的工作頻率和頻率的穩(wěn)定。（3）振蕩幅度的穩(wěn)定是由器件非線性保證的，所以振蕩器是非線性電路。（4）振蕩頻率的穩(wěn)定是由相頻特性斜率為負(fù)的網(wǎng)絡(luò)來保證的。（5）振蕩器的組成必須包含有放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)

4、，它們必須能夠完成選頻、穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的功能。（6）利用自偏置保證振蕩器能自行起振，并使放大器由甲類工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換成丙類工作狀態(tài)。5.振蕩器電路分類振蕩器正弦波（諧波振蕩器）正反饋LC振蕩器單管互感耦合LC振蕩器差分對(duì)管LC振蕩器三點(diǎn)式振蕩器考畢茲振蕩器哈特萊振蕩器改進(jìn)三點(diǎn)式振蕩器克拉潑振蕩器西勒振蕩器晶體振蕩器串聯(lián)型布特勒并聯(lián)型皮爾斯振蕩器密勒振蕩器RC振蕩器移相式導(dǎo)前型滯后型RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（文氏橋型）負(fù)阻式非正弦波自激振蕩器多諧振蕩器（矩形波）弛張振蕩器對(duì)稱式多諧振蕩器正反饋非對(duì)稱式多諧振蕩器正反饋環(huán)形振蕩器延遲負(fù)反饋施密特多諧振蕩器延遲負(fù)反饋石英晶體多諧振蕩器正反饋壓控振蕩器施密特觸發(fā)器型電容

5、交叉充、放電型定時(shí)器型晶體壓控振蕩器他激振蕩器（脈沖整形）比較器門限比較器遲滯比較器（施密特觸發(fā)器）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器反饋型振蕩器的原理框圖如圖5.1所示。 由圖可見, 反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路, 放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如振蕩回路)作負(fù)載, 是一調(diào)諧放大器, 反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。 6. 反饋式振蕩器工作原理：6.1起振條件：振幅：A·F>1(Uf>Ui) 相位：=+=2n, 6.2平衡條件: 振幅：A·F=1(Uf=Ui), 相位：=+=2n6.3穩(wěn)定條件:幅度：    

6、60; (A為平衡點(diǎn))； 相位： 根據(jù)振蕩條件，振蕩器應(yīng)包括放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)不同可以有LC并聯(lián)諧振回路、RC選頻網(wǎng)絡(luò)、晶體濾波器等。7. LC正弦振蕩器凡采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋式振蕩器稱為L(zhǎng)C正弦波振蕩器。7.1單管互感耦合LC振蕩器1) 電路 2)      工作原理 3)      結(jié)論 i) 是否可能振蕩，取決于變壓器正確的同名端標(biāo)向 ii) 是否能起振，取決于變壓器是否有足夠的耦合量 ，    iii) 正反饋系數(shù) 7.2差分

7、對(duì)管互感耦合LC振蕩器 1) 電路 2)      工作原理  3)      電路特點(diǎn) i) LC回路與負(fù)載 R2分開，彼此隔離 ，R2不會(huì)影響LC回路Q值，  所以振幅、頻率穩(wěn)定 ii) 差分對(duì)管基極均為零電位，故輸出波形好，失真小 7.3 三點(diǎn)式振蕩器1、定義：用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻和移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器 LC回路有三個(gè)抽頭，分別與晶體管三個(gè)電極相連2、構(gòu)成原則:從相位平衡條件判斷下圖（a）三端式振蕩器能否振蕩的原則為：(1) X1和X2的電抗性質(zhì)相同；(2)

8、 X3與X1、X2的電抗性質(zhì)相反。 即 “射同余異”，對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，為“源同余異”， 集成運(yùn)放三點(diǎn)式與同相端相連為同性抗，不與同相端相連為異性抗因此三端式振蕩器有兩種基本電路：（b）電容反饋振蕩器，也稱為考必茲(Colpitts)振蕩器（c）電感反饋振蕩器，也稱哈特萊(Hartley)振蕩器。 電容反饋振蕩器與電感反饋振蕩器的比較：（a）兩種線路都簡(jiǎn)單，容易起振。（b）電容反饋振蕩器的工作頻率可以較高。（c）電容反饋振蕩器的輸出波形比電感反饋振蕩器的輸出波形要好。（d）改變電容能夠調(diào)整振蕩器的工作頻率。對(duì)于電容三點(diǎn)式振蕩器：當(dāng)溫度變化引起C1、C2變化時(shí)，將導(dǎo)致振蕩器頻率漂移。因此該電路頻率穩(wěn)

9、定度會(huì)受影響。7.4 改進(jìn)式三點(diǎn)式振蕩器（a）克拉潑振蕩電路：在電容三點(diǎn)式振蕩電路的電感支路上串進(jìn)了一個(gè)小電容C3而構(gòu)成的，該電路稱為串聯(lián)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，又稱克拉潑振蕩電路。改進(jìn)后，C1和C2的變化就難以影響到振蕩器的振蕩頻率。因此克拉潑振蕩器的頻率穩(wěn)定度好。（b）西勒電路：電路主要特點(diǎn), 就是電感支路上串進(jìn)了一個(gè)小電容C3,同時(shí)電感L并聯(lián)一可變電容C4，8. 晶體振蕩器石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)和基本工作原理（a）. 石英晶體振蕩器：利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，再加上驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的振蕩器。（b） 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩

10、（SPXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。（c） 石英晶體諧振器等效電路：C0：靜態(tài)電容 C1：動(dòng)態(tài)電容 L1：動(dòng)態(tài)電感 R1：諧振電阻CL: 負(fù)載電容 從石英晶體諧振器的等效電路導(dǎo)出石英晶體的總電抗（忽略R1）：分子為零和分母為零時(shí)，它分別有兩個(gè)諧振頻率，即（1）當(dāng)L1、C1、R1支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗1）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，fs(串聯(lián)諧振頻率)：由L1C1串聯(lián)諧振晶體本身的諧振頻率。（2）當(dāng)頻率高于fs時(shí)L1、C1、R1支路呈感性，可與電容C0。發(fā)生并聯(lián)諧

11、振，其并聯(lián)頻率用fp表示。fp(并聯(lián)諧振（負(fù)載）頻率)：在規(guī)定條件下，晶體與一個(gè)負(fù)載電容相串聯(lián)或相并聯(lián)，由L1 、C1、Co 并聯(lián)諧振其組合阻抗呈現(xiàn)為電阻性時(shí)的兩個(gè)頻率中的一個(gè)頻率。由于C0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C1。所以：下圖為石英晶體諧振器電抗-頻率特性曲線當(dāng)頻率在fs和fp之間，石英晶體呈感性;在其他頻率下，石英晶體呈容性。石英晶體諧振器就是利用fs與fp之間的等效電感與其負(fù)載電容來確定振蕩頻率的。fs與fp之間的范圍很窄，對(duì)于工作頻率為幾兆赫的石英晶體諧振器來說，它只有幾十到幾百赫。通常石英晶體所給的標(biāo)稱頻率fN既不是fs也不是fp而是外接負(fù)載電容CL后校正的振蕩頻率。由于石英晶體的品質(zhì)因數(shù)Q可以如

12、下式來計(jì)算：因此石英晶體的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可以達(dá)到105108，因而石英晶體的頻率選擇性很好，從而使石英晶體諧振器組成的振蕩器頻率穩(wěn)定度十分高。根據(jù)晶體在電路中的作用,可以將晶體振蕩器歸為兩大類:并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。 8.1 串聯(lián)型晶體振蕩器：又被稱為布特勒振蕩器。是將石英晶振用于正反饋支路中，利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件，電路反饋?zhàn)饔米顝?qiáng)，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率 f s 上起振。這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個(gè)晶振。   8.2 并聯(lián)型晶體振蕩器（a）皮爾斯振蕩器石英晶體等效電容三點(diǎn)式（考必茲）中的電

13、感。從相位平衡條件出發(fā)來分析，這個(gè)電路的振蕩頻率必然在石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs與并聯(lián)諧振頻率fp之間。該電路有以下特點(diǎn)：(1) 振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。(2) 振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定，而石英晶振本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。(3) 由于振蕩頻率f0一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率fN上，位于晶振的感性區(qū)間，電抗曲線陡峭，穩(wěn)頻性能極好。(4) 由于晶振的Q值和特性阻抗r都很高，所以晶振的諧振電阻也很高，一般可達(dá)1010W以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗 仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。（b）密勒振蕩器石英晶體等效電感三點(diǎn)

14、式（哈特萊）中的一個(gè)電感9. RC振蕩電路：RC振蕩器是利用電阻、電容網(wǎng)絡(luò)作為選頻網(wǎng)絡(luò)或反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩器?？煞譃镽C移相振蕩器、RC選頻振蕩器。非正弦振蕩器以上討論的均為正弦波振蕩器,通常除了正弦輸出，還會(huì)有CMOS輸出，TTL輸出，ECL輸出的需求。這些時(shí)候通常需要振蕩器輸出是一個(gè)方波或矩形波。非正弦波（方波）輸出通?？梢苑譃閮纱箢悾鹤约ふ袷幤骱退ふ袷幤鳌Ｗ约ふ袷幤鞑恍枰饧虞斎胄盘?hào)，只要接通供電電源，就自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)。而他激振蕩器需要輸入其他形狀的周期信號(hào)（正弦波），通過脈沖整形電路，將其他周期性信號(hào)變換為要求的矩形脈沖信號(hào)。自激振蕩器電路：10.多諧振蕩器（矩形波）是一種矩形波產(chǎn)

15、生電路.這種電路不需要外加觸發(fā)信號(hào),便能連續(xù)地, 周期性地自行產(chǎn)生矩形脈沖.該脈沖是由基波和多次諧波構(gòu)成,因此稱為多諧振蕩器電路. 10.1弛張振蕩器（無選頻網(wǎng)絡(luò)）（a）對(duì)稱式多諧振蕩器(b)非對(duì)稱式多諧振蕩器(c)環(huán)形振蕩器(d)施密特多諧振蕩器10.2石英晶體多諧振蕩器電阻R1、R2的作用是保證兩個(gè)反相器在靜態(tài)時(shí)都能工作在線性放大區(qū)。對(duì)TTL反相器，常取R1R2R0.7 k2k，而對(duì)于CMOS門，則常取R1R2R10k100k；C1C2C是耦合電容，它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時(shí)可以忽略不計(jì)；石英晶體構(gòu)成選頻環(huán)節(jié)。振蕩頻率等于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率f011 壓控振蕩器11.1 施密特觸

16、發(fā)器型壓控振蕩器11.2 電容交叉充、放電型壓控振蕩器11.3 定時(shí)器型壓控振蕩器11.4 晶體壓控振蕩器晶體壓控振蕩器是通過調(diào)節(jié)（控制腳）電壓，使振蕩器輸出頻率變化的振蕩器，主要是通過變?nèi)荻O管（Vd）的電容的變化，使晶體諧振器的振蕩頻率發(fā)生變化。 變?nèi)荻O管是一種隨電壓變化，容量有一定變化的二極管。變?nèi)荻O管有正變?nèi)荻O管（電壓變高，容量變高），和負(fù)變?nèi)荻O管（電壓變高，容量變低）。目前 HOSONIC公司DIP VCXO、SMD VCXO均為負(fù)變?nèi)荻O管。他激振蕩器電路（脈沖整形）：12. 比較器整形電路12.1 門限比較器 12.2 遲滯比較器（施密特觸發(fā)器） 13.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器整形電

17、路 二. 晶體振蕩器分類：國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩器（SPXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10(-5)10(-4)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。 電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10(-6)10(-5)量級(jí)，頻率范圍130MH

18、z。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。 溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10(-7)10(-6)量級(jí)，頻率范圍160MHz，頻率穩(wěn)定度為±0.1±2.5ppm，封裝尺寸如DIP14，DIP8等，通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設(shè)備等。 恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫槽中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10(-10)至10(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。

19、VCXO原理與結(jié)構(gòu)OCXO晶振內(nèi)部結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)高穩(wěn)定度晶體振蕩器都采用了將晶體恒溫的方法。使用了精密的恒溫控制槽，將槽內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到晶體諧振器的溫度頻率曲線的拐點(diǎn)上。這樣，能最大限度地克服溫度對(duì)晶體振蕩器頻率的影響。在所有的晶體振蕩器中，恒溫晶體振蕩器的穩(wěn)定度最好，老化率最小，被廣泛用作標(biāo)準(zhǔn)頻率源。恒溫方式既可以由單層恒溫，也可以由雙層恒溫。下圖是恒溫晶體振蕩器的基本組成方框圖。三、石英晶體諧振器主要參數(shù)指標(biāo)1.標(biāo)稱頻率：晶體技術(shù)條件中規(guī)定的頻率，標(biāo)識(shí)在產(chǎn)品外殼上。2.調(diào)整頻差：在規(guī)定條件下，基準(zhǔn)溫度（25±2）時(shí)工作頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率所允許的偏差。常見的有±30PPM和&#

20、177;50PPM。3.溫度頻差：在規(guī)定條件下，在工作溫度范圍內(nèi)相對(duì)于基準(zhǔn)溫度（25±2）時(shí)工作頻率的允許偏差。常見的有±30PPM和±50PPM。溫頻特性與石英的切割角有關(guān)。4.工作溫度范圍：晶體諧振器正常工作的溫度范圍，若無特殊要求，通常為商業(yè)級(jí)，即溫度范圍070。5.串聯(lián)諧振電阻：石英諧振器在諧振頻率時(shí)的等效電阻。6.負(fù)載電容：與晶體一起決定負(fù)載諧振頻率fL的有效外界電容，通常用CL表示。負(fù)載電容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。只要可能就應(yīng)選推薦值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。7.切型/振

21、動(dòng)模式：晶體諧振器根據(jù)切角的不同，可以分為AT切、SC切、BT切等多種類 型。現(xiàn)在獲得廣泛應(yīng)用的是AT和SC切諧振器。振動(dòng)模式通常分為基頻和泛音模式。基頻是在振動(dòng)模式最低階次的振動(dòng)頻率。泛音是晶體振動(dòng)的機(jī)械諧波。泛音頻率與基頻頻率之比接 近整數(shù)倍但不是整數(shù)倍，這是它與電氣諧波的主要區(qū)別。泛音振動(dòng)有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。8.老化率：在規(guī)定條件下，晶體工作頻率隨時(shí)間而允許的相對(duì)變化。以年為時(shí)間單位衡量時(shí)稱為年老化率。9.激勵(lì)電平：晶體工作時(shí)所消耗功率的表征值。一般不超過1mW。激勵(lì)電平可選值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50W、20W、10W、1W、

22、0.1W等PWR(激勵(lì)功率)：晶體工作時(shí)所消耗的有效功率。晶體的DLD特性是指在不同的激勵(lì)功率測(cè)量時(shí)，ESR或/和頻率的變化。理想晶體的DLD特性應(yīng)表現(xiàn)如下：在一個(gè)最高到設(shè)計(jì)功率的很寬廣的激勵(lì)功率范圍中(幾十點(diǎn)激勵(lì)功率) ESR和頻率幾乎沒有變化。 異常和理想晶體的DLD特性DLD2：電阻激勵(lì)功率相關(guān)性（RRMAX RRMIN）。單位：歐姆FDLD：頻率激勵(lì)功率相關(guān)性（FLMAX FL MIN）四、石英晶體振蕩器主要參數(shù)指標(biāo)1.標(biāo)稱頻率（nominal frequency）：晶體振蕩器應(yīng)輸出頻率的標(biāo)稱值F0。頻率測(cè)量?jī)煞N方法：方法1測(cè)量精度小于等于10-8。方法2測(cè)量精度大于10-82.工作電

23、壓：VDD晶體振蕩器正常工作需要提供的電壓。目前大量使用的是5V和3.3V供電的晶振產(chǎn)品。3. 工作電流：IDD4. 工作溫度范圍：T0能夠保證晶體振蕩器輸出頻率及其它各種特性能滿足指標(biāo)要求的溫度范圍，可以分為商業(yè)級(jí)（070）、工業(yè)級(jí)（-4085）和軍品級(jí)（-55125）5. 頻率準(zhǔn)確度：通常是指常溫（25度）下，所測(cè)晶振頻率相對(duì)標(biāo)稱頻率的差值。頻差（頻率精度）是晶體在規(guī)定工作條件下的實(shí)際頻率值與標(biāo)準(zhǔn)值或基準(zhǔn)值間頻率差的相對(duì)值。一般用ppm(10-6)表示。主要有調(diào)整頻差和溫度頻差。調(diào)整頻差（Frequency Tolerance）：在規(guī)定條件下，在基準(zhǔn)溫度（25±2）與標(biāo)稱頻率允許

24、的偏差。一般用PPm（百萬分之）表示。溫度頻差（Temperature tolerance）：是指在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)頻率偏離基準(zhǔn)溫度下的頻率的最大相對(duì)值?？傤l差（總頻率精度）：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大頻差。總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率老化率造成的偏差、頻率電壓特性和頻率負(fù)載特性等共同造成的最大頻差。6. 頻率穩(wěn)定度（Frequency Stability）：晶振由于各種因素而引起的輸出頻率隨時(shí)間的漂移，通常用其最大變化的相對(duì)值來表示。常見的有±30PPM和±50PPM。任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對(duì)的，程度

25、不同而已。一個(gè)晶振的輸出頻率隨時(shí)間變化的曲線如圖3。圖中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素：老化、飄移和短穩(wěn)。         圖3 晶振輸出頻率隨時(shí)間變化的示意圖        曲線1是用0.1秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)        曲線3是用100秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移      

26、  曲線4 是用1天一次測(cè)量的情況。表現(xiàn)了晶振的老化a. 老化    即長(zhǎng)期穩(wěn)定度，頻率的單向變化。觀察的時(shí)間為日、月、年、10年，。 b. 漂移     頻率作緩慢的來回變化，其平均頻率偏移為零。引起漂移的主要原因是溫度的變化。     各種形式的晶振的溫度穩(wěn)定度列于下表 (一般數(shù)據(jù),非特殊要求)。 形式 一般晶振 溫補(bǔ)晶振 數(shù)字溫補(bǔ)晶振 恒溫晶振 溫度范圍()-30+80-20+80-20+800+50溫度穩(wěn)定度 N×10-5n×1

27、0-6 n×10-7n×10-7 n×10-8n×10-7 n×10-10   要求較高的時(shí)鐘，一般都采用恒溫晶振。而且對(duì)于在室內(nèi)接近恒溫的條件下工作(溫度變化約5左右)，這個(gè)指標(biāo)可以適當(dāng)放寬。 c. 短穩(wěn) 短期穩(wěn)定度，觀察的時(shí)間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。 晶振的輸出頻率受到內(nèi)部電路如晶體Q值、元器件噪音、電路穩(wěn)定性、工作狀態(tài)等因素影響而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)定。測(cè)量一連串的頻率值后，用阿倫方程計(jì)算。相位噪音也同樣可以反映短穩(wěn)的情況。    頻率穩(wěn)定度還包括開

28、機(jī)特性、重現(xiàn)性、負(fù)載穩(wěn)定度、電源穩(wěn)定度。但時(shí)鐘一般都在長(zhǎng)期連續(xù)、固定的負(fù)載、穩(wěn)壓的電源情況下工作，這些指標(biāo)也可以放寬要求。 6.1頻率溫度穩(wěn)定度（Frequency/temperature characteristics）：在標(biāo)稱電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。 6.2頻率老化率(frequency ageing長(zhǎng)期穩(wěn)定度long-term frequency stability)：在恒定的環(huán)境條件下測(cè)量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，因此，其頻率偏移的速率叫老

29、化率，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時(shí)后），或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年）來表示。晶體老化是因?yàn)樵谏a(chǎn)晶體的時(shí)候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問題。應(yīng)力要經(jīng)過一段時(shí)間的變化才能穩(wěn)定，一種叫“應(yīng)力補(bǔ)償”的晶體切割方法（SC切割法）使晶體有較好的特性。6.3日老化率（Aging/day）：振蕩器頻率一天內(nèi)頻率漂移的數(shù)量。6.4年老化率（Aging/year）：振蕩器頻率一年內(nèi)頻率漂移的數(shù)量。6.5短期穩(wěn)定度(short-term frequency stability)：振蕩器頻

30、率在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的隨機(jī)波動(dòng)。常用阿倫方差（Allan variance）度量，是用時(shí)域法描述振蕩器短期穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)方法。 相位噪聲也同樣可以反映短穩(wěn)的情況(要有專用儀器測(cè)量)。6.6日波動(dòng)：指晶振的輸出頻率在24小時(shí)內(nèi)的變化情況。通常用其最大變化的相對(duì)值來表示。6.7開機(jī)特性：指開機(jī)后一段時(shí)間(如5分鐘)的頻率到開機(jī)后另一段時(shí)間(如1小時(shí))的頻率的變化率。表示了晶振達(dá)到穩(wěn)定的速度。這指標(biāo)對(duì)經(jīng)常開關(guān)的儀器如頻率計(jì)等很有用。 說明：在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振蕩器是長(zhǎng)期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要頻繁的開機(jī)和關(guān)機(jī)，這時(shí)頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間指標(biāo)需要被考慮到（尤其是對(duì)于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通

31、訊電臺(tái)，當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度±0.3ppm(-4585)，采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間將不少于5分鐘，而采用MCXO只需要十幾秒鐘)。6.8 頻率電壓特性：在其他條件均保持不變情況下，由于電源電壓在規(guī)定范圍內(nèi)變化，振蕩器頻率與規(guī)定標(biāo)稱電源電壓下的頻率的最大允許頻偏。（以標(biāo)稱電源電壓輸出頻率為基準(zhǔn)的頻率一電壓允許偏差不應(yīng)超過規(guī)定極限值。）6.9 頻率負(fù)載特性：在其他條件保持不變情況下，由于負(fù)載阻抗在規(guī)定范圍內(nèi)變化，振蕩器頻率與規(guī)定標(biāo)稱負(fù)載阻抗下的頻率的最大允許頻偏。（以標(biāo)稱負(fù)載下輸出頻率為基準(zhǔn)的頻率一負(fù)載允差不應(yīng)超過規(guī)定極限值）6.10 相位噪聲：信號(hào)功率與噪聲功率的比率(C

32、/N),是表征頻率顫抖的技術(shù)指標(biāo)。一般來說雷達(dá)等設(shè)備會(huì)對(duì)相位噪聲有特殊要求；單邊帶中每1Hz 帶寬的功率對(duì)載波功率的相位噪聲比不應(yīng)超過繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖各規(guī)定垂直線段規(guī)定的值.相位噪聲應(yīng)該按照下圖所示進(jìn)行測(cè)量：6.11 相位抖動(dòng)：抖動(dòng)是一個(gè)時(shí)域概念 。抖動(dòng)是對(duì)信號(hào)時(shí)域變化的測(cè)量結(jié)果，它從本質(zhì)上描述了信號(hào)周期距離其理想值偏離了多少。兩種常見的抖動(dòng)定義： 1. 峰峰值抖動(dòng)，即正態(tài)曲線上最小測(cè)量值到最大測(cè)量值之間的差距。在大多數(shù)電路中，該值會(huì)隨測(cè)量樣本數(shù)的增多而變大，理論上可達(dá)無窮大。因此，這種測(cè)量意義不大。 2. RMS(均方根)抖動(dòng)，即正態(tài)分布一階標(biāo)準(zhǔn)偏差的值。該值隨樣本數(shù)的增加變化不大，因而這種

33、測(cè)量較有意義。但這種測(cè)量只在純高斯分布中才有效，如果分布中存在任何確定性抖動(dòng)，那么利用整個(gè)抖動(dòng)直方圖上的一階方差來估計(jì)抖動(dòng)出現(xiàn)的可能性就是錯(cuò)誤的。 3. 多個(gè)隨機(jī)抖動(dòng)源可以用RMS方式相加。但要得到總的抖動(dòng)，需要利用峰峰值，以便將隨機(jī)抖動(dòng)與確定性抖動(dòng)相加。抖動(dòng)的測(cè)量：1) 通過采用示波器進(jìn)行時(shí)域的測(cè)量：2)通過使用BER測(cè)試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)域的測(cè)量3).使用相噪測(cè)試儀或抖動(dòng)漂移測(cè)試儀進(jìn)行頻域的測(cè)量。7. 波形指標(biāo)：7.1對(duì)稱性（Symmetry占空比）：一個(gè)脈沖周期內(nèi)，高電平與低電平所占比例之比 稱為占空比，通常為45%55%，如下圖所示。高于規(guī)定基準(zhǔn)電平以地為參考的時(shí)間相對(duì)該波形周期的

34、百分?jǐn)?shù)。如圖8所示。測(cè)量方法：以一個(gè)波形周期的百分?jǐn)?shù)表示的占空因數(shù)應(yīng)在電壓電平以地為基準(zhǔn)的50%（ 見圖8 ）處進(jìn)行測(cè)量。除非另有規(guī)定， TTL和CMOS 兼容振蕩器的占空因數(shù)測(cè)量電平應(yīng)按表8 的規(guī)定。7.2邏輯電平: 根據(jù)輸出信號(hào)電平的高低分為TTL、HCMOS、ECL等；TTL 和CMOS 兼容制振蕩器邏輯輸出電壓電平不應(yīng)超過表1 規(guī)定的極限值，對(duì)ECL 和其它邏輯種類其邏輯輸出電壓電乎不應(yīng)超過規(guī)定極限值7.3上升時(shí)間: 定義為響應(yīng)從最終輸出的0.1倍至0.9倍所需的時(shí)間，通常在10ns以內(nèi)，在兩個(gè)規(guī)定的電壓電平之間（見圖8 ），測(cè)量方波脈沖的前沿時(shí)，觀測(cè)到的邏輯“0 ”至邏輯“1 ”的轉(zhuǎn)

35、換時(shí)間。7.4下降時(shí)間: 定義為響應(yīng)從最終輸出的0.9倍至0.1倍所需的時(shí)間，通常在10ns以內(nèi)，在兩個(gè)規(guī)定的電壓電平之間（見圖8 ），測(cè)量方波脈沖的后沿時(shí)，觀察到的邏輯“1 ”至邏輯“0 ”的轉(zhuǎn)換時(shí)間。TTL 和CMOS 兼容振蕩器上升和下降時(shí)間的測(cè)量電平應(yīng)按表7 的規(guī)定對(duì)于ECL 和其他邏輯輸出系列測(cè)量電平應(yīng)按規(guī)定8. 驅(qū)動(dòng)能力：CMOS輸出提供電容值，TTL輸出提供電流值9. 負(fù)載電容（Load Capacitance）：與晶體一起決定負(fù)載諧振頻率fL的有效外界電容，通常用CL表示。10.頻率復(fù)現(xiàn)性（Retrace characteristics）：在規(guī)定試驗(yàn)溫度下，以穩(wěn)定條件工作的振蕩

36、器關(guān)機(jī)后保持在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下一段規(guī)定的時(shí)間，然后再開機(jī)，重現(xiàn)性就是振蕩器再開機(jī)后規(guī)定時(shí)刻的頻率與振蕩器關(guān)機(jī)前的即刻頻率之差。對(duì)于VCXO還有以下指標(biāo)：11. 壓控范圍（總頻偏或牽引度pullability）（PR）：即通過調(diào)諧控制電壓改變輸出頻率。牽引范圍為變化頻率(增大或減少)與中心頻率的比值。此比值一般用ppm表示。如±100ppm12. 壓控電壓范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，控制電壓的范圍。 13. 中心頻率壓控電壓VCXO標(biāo)稱頻率對(duì)應(yīng)的調(diào)諧電壓規(guī)定為VDD（電源電壓）的一半。VCXO,控制電壓為VDD/2時(shí)就產(chǎn)生中心頻率(標(biāo)稱頻率)。14. 線

37、性度：指壓控晶振輸出頻率與壓控電壓曲線偏離線性的程度。15. 輸入阻抗(>100K)五石英晶體基本生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)諧振器石英生長(zhǎng)電清洗切割研磨倒圓X射線定向角度校準(zhǔn)倒邊腐蝕（化學(xué)拋光）清洗掩模定向鍍接點(diǎn)準(zhǔn)備封裝安裝焊接檢驗(yàn)清洗最后清洗烘干鍍膜調(diào)整頻率封焊試漏老化上架點(diǎn)膠烤膠性能參數(shù)測(cè)量振蕩器石英的水熱生長(zhǎng)：電清洗電清洗是一種從石英中消除某些雜質(zhì)的提純加工過程，因此能夠改善石英晶體的輻射性和蝕刻特性。它是一種在高溫下完成的電場(chǎng)激勵(lì)的固態(tài)擴(kuò)散過程。典型電清洗過程的主要步驟是：把電極加在石英棒上，緩慢將棒加熱到500，再將電壓加在電極上，使其沿Z 方向的電場(chǎng)約為1kV/cm，監(jiān)測(cè)流過石英棒的電流（隨電清洗的進(jìn)行，電流下降