晶振知識(shí)講座課件

SSEECFA研發(fā)中心

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(shí)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(xiàng)……..…...……… 647.石英晶體諧振器在使用過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)….691、石英晶體

石英是擁有以下特性的唯一材料：

具有壓電效應(yīng)

存在零溫度系數(shù)的切型

存在壓力補(bǔ)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(duì)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(zhǎng)，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(diǎn)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(duì)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(jī)械軸。若在電軸或機(jī)械軸方向?qū)κ⑵┘油饬κ蛊湫巫?，則垂直與該軸的方向上會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反、數(shù)值相等的電荷。STRAINEXTENSIONALalong:SHEARabout:FIELDalong:XYZXYZXYZXYZ石英的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)能使壓電晶體的機(jī)械特性和電路信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)化。石英在電場(chǎng)的作用下，有五種機(jī)械變化。下頁(yè)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(wú)形變X+++++++++++++++++++++____________________形變+++++++++++++++++++++____________________X-+YY__壓電效應(yīng)0jX-jX電抗基頻3rd泛音5th泛音FrequencySpuriousresponsesSpuriousresponsesSpuriousresponses石英晶體的泛音響應(yīng)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(jì)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(zhǎng)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(yīng)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(yīng)用于無(wú)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(jì)算機(jī)程控交換機(jī)、VCD、DVD、彩電機(jī)頂盒、鐵路信號(hào)及通訊中的頻率信號(hào)源設(shè)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(yīng)用于軍用載波、通訊設(shè)備與民用產(chǎn)品中。石英晶體諧振器的優(yōu)點(diǎn)1、穩(wěn)定性好，變化?。?、準(zhǔn)確性好，精度高；3、低功耗，激勵(lì)功率小；4、固定性（非可調(diào)式）。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(zhǎng)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(dòng)態(tài)電容C1n:C1ofn-th泛音L1:動(dòng)態(tài)電感L1n:L1ofn-th泛音R1:動(dòng)態(tài)電阻R1n:R1ofn-th泛音:石英介電常數(shù)40x10-13pF/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fRfa:并聯(lián)共振頻率Q：品質(zhì)因數(shù)1:時(shí)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SCoppertargetX-raysourceShieldingMonochromatorcrystal檢測(cè)器被測(cè)晶片Double-crystalx-raydiffraction（衍射）system測(cè)角器X-ray柱用X-ray測(cè)晶片方向

在制造過(guò)程中，污染必須得到控制，否則會(huì)帶來(lái)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?chē)h(huán)境和封裝過(guò)程對(duì)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(huì)導(dǎo)致老化、滯后、噪音等現(xiàn)象。

晶片周?chē)廴菊{(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(dāng)有激勵(lì)時(shí)，最初僅產(chǎn)生噪聲信號(hào)。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(lì)信號(hào)、閉環(huán)增益、晶體所在網(wǎng)絡(luò)的帶寬等。

幅度一直增加，直到因元件的非線性或自動(dòng)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(bǔ)償晶體振蕩器

TCVCXO..…TemperatureCompensated/VoltageControlled

CrystalOscillator溫度補(bǔ)償/壓控晶體振蕩器

OCVCXO.….OvenControlled/VoltageControlledCrystalOscillator

恒溫/壓控晶體振蕩器

MCXO………MicrocomputerCompensatedCrystalOscillator

微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器

RbXO……….Rubidium-CrystalOscillator銣晶體振蕩器晶體振蕩器縮寫(xiě)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(gè)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(jí)，一般用于普通場(chǎng)所作為本振源或中間信號(hào)，是晶振中最廉價(jià)的產(chǎn)品。

TCXO,temperaturecompensatedcrystaloscillator,

溫度補(bǔ)償型.它是在晶振內(nèi)部采取了對(duì)晶體頻率溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償措施，以達(dá)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(bǔ)晶振采用熱敏補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償后頻率穩(wěn)定度在10-7~10-6量級(jí)。由于其具有良好的開(kāi)機(jī)特性、優(yōu)越的性能價(jià)格比及功耗低、體積小、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，因而獲行了廣泛應(yīng)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(diǎn)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(jí)以上。它主要用作頻率源或標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。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(bǔ)償后的頻率可變電容CL的補(bǔ)償電壓Frequency/Voltage未得補(bǔ)償?shù)念l率T溫度晶體振蕩器頻率溫度補(bǔ)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(zhǔn)確不精確也不準(zhǔn)確準(zhǔn)確但不精確即準(zhǔn)確又精確TimeTimeTimeTime穩(wěn)定不準(zhǔn)確不穩(wěn)定也不準(zhǔn)確準(zhǔn)確但不穩(wěn)定即穩(wěn)定又準(zhǔn)確0ffff準(zhǔn)確度、精確度和穩(wěn)定性的關(guān)系

時(shí)間

?短期(噪聲)?中期(例如溫度波動(dòng)的影響)?長(zhǎng)期(老化率)溫度

?溫度對(duì)靜態(tài)頻率的影響?溫度對(duì)動(dòng)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(dòng) ?震動(dòng)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(chǎng)

?大氣壓力 ?負(fù)載電阻對(duì)諧振頻率有影響的因素3210-1-2-3t0t1t2t3t4TemperatureStep振動(dòng)震動(dòng)振蕩器的開(kāi)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(shí)間的推移對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)輸出電壓

振蕩器工作的狀態(tài)和可遇見(jiàn)性變差

影響諧振和同步的精度

限制接受器的可用動(dòng)態(tài)范圍、頻道間隔、選擇性；影響抗干擾能力

影響雷達(dá)性能（特別是多普勒雷達(dá)）

引起時(shí)序錯(cuò)誤

引起數(shù)字通訊的位碼錯(cuò)誤

限制通訊系統(tǒng)用戶數(shù)量，因?yàn)榘l(fā)射機(jī)的噪聲會(huì)對(duì)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(yīng)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(dòng)電平

干擾模式

負(fù)載電抗（大小和溫度系數(shù)）溫度變化的速率

受熱過(guò)程

電離輻射

諧振器頻率溫度特性的決定因素

采用補(bǔ)償反饋技術(shù)可得105

的熱增益(如：測(cè)量外界溫度和調(diào)節(jié)補(bǔ)償電熱調(diào)節(jié)器的設(shè)置點(diǎn))。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(dòng)的量子級(jí)限制為1nK

最佳恒溫設(shè)計(jì)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(shí)間FractionalFrequencyDeviationFromTurnoverFrequency369121510-310-410-5-10-610-710-8-10-8-10-710-60加熱對(duì)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(fù)載電容

對(duì)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(duì)頻率溫度特性的影響在高電平驅(qū)動(dòng)時(shí)，因石英的非線性使諧振曲線變得不對(duì)稱NormalizedcurrentamplitudeFrequency10-610W100W400W4000W幅頻特性FrequencyChange(partsin109)806040200-201002003004005006007005MHzAT3diopter10MHzSC2diopter10MHzSC1diopter10MHzSC10MHzBT晶體電流(微安)頻率和驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流的影響驅(qū)動(dòng)電流和電阻的關(guān)系

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

較差的制作工藝和品質(zhì)控制。例：焊點(diǎn)松動(dòng)、封裝漏氣、材料偶然故障。

因老化嚴(yán)重且調(diào)整范圍不足，頻偏超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。

因老化影響，TCXO的頻率溫度特性退化。

因溫度設(shè)置點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)使在電離輻射時(shí)，振蕩停止、頻偏超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。

因振動(dòng)引起的噪聲使振蕩器噪聲超標(biāo)。

因表面加工不當(dāng)，沖擊時(shí)使晶片破裂。

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

1.

頻率：27.000MHz2.

頻差：（25℃±2℃）±30PPm3.

外形：HC-49US4.

振動(dòng)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(lì)功率：0.1mwMAX9.

負(fù)載電容：20PF10.

靜電容：7PFMAX27MHz--49US產(chǎn)品規(guī)格書(shū)（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(cè)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(yīng)參數(shù)介紹（1）1、標(biāo)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(biāo)稱頻率在一定溫度（一般是25℃）下的允許偏差，表示為百分?jǐn)?shù)（%）或百萬(wàn)分之幾（ppm）。3、頻率穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指標(biāo)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(xiàng)偏差為0，以標(biāo)稱頻率的百分?jǐn)?shù)（%）或百萬(wàn)分之幾（ppm）來(lái)表示。如前所述，這個(gè)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(yīng)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(duì)于基準(zhǔn)溫度（25℃±2℃）時(shí)工作頻率的允許偏差。6、儲(chǔ)存溫度

晶體在非工作狀態(tài)下保持標(biāo)準(zhǔn)特性的溫度范圍。7、激勵(lì)功率

晶體工作時(shí)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(lì)功率應(yīng)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(yīng)參數(shù)介紹（3）8、負(fù)載電容（CL）

與晶體一起決定負(fù)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(huì)成為其諧振頻率的一個(gè)決定因素。負(fù)載電容變化時(shí)，頻率也會(huì)隨之改變。因此，在電路中使用時(shí)，經(jīng)常會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容來(lái)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(yīng)參數(shù)介紹（4）12、DLD2

在特定的功率范圍內(nèi)所測(cè)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(cè)量到的最大阻抗。14、老化

工作頻率在特定時(shí)間范圍內(nèi)的變化量，一般表達(dá)為最大值，單位是每年頻率變化量的百萬(wàn)分之幾（ppm/年）。頻率隨時(shí)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(shí)際晶振測(cè)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(shí)際晶振測(cè)試示例（2）我司目前做的環(huán)境性能試驗(yàn)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(fù)1小時(shí)后測(cè)試，要求△F<10ppm。2、高溫儲(chǔ)存將晶振置于105±2℃環(huán)境中保持48小時(shí)，然后在室溫中恢復(fù)1小時(shí)后測(cè)試，要求△F<5ppm。3、耐焊接熱將晶振于260℃±5℃的焊錫槽浸潤(rùn)10±0.5秒，浸潤(rùn)高度距引腳基部2mm，然后在室溫中恢復(fù)1小時(shí)后測(cè)試，要求△F<5ppm。6、