晶振知识讲座汇编

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1、 SSEEC FA研发中心 SY . 晶振教程 目录 1.石英晶体. 3 2.石英晶体谐振器. 13 3. 石英晶体振荡器 28 4. 振荡器的稳定性 36 5. 我司实际使用的晶振相关介绍. 54 6. 石英晶体谐振器选用的注意事项. 64 7. 石英晶体谐振器在使用过程中的一些注意事项. 69 1、石英晶体 石英是什么 v石英是一种压电材料，在自然界中是一种透 明的结晶物 ，它有非常稳定的压电效应，其 化学与机械上的特性在早期的电子实验中就 引起了极大的关注。 v石英的主要成份为二氧化硅，虽然地壳表面 有14%是由二氧化硅所组成，但相对可使用 的部份却较稀少，主要是因为满足不了需要 的纯度

2、要求以它本身存在缺陷与瑕疵。 石英是拥有以下特性的唯一材料： 具有压电效应 存在零温度系数的切型 存在压力补偿的切型 低损耗（高Q） 容易加工；在正常条件下，除了氟化物腐蚀剂，对所有物质存 在低溶性；硬而不脆。 自然界含量丰富；易于低成本大量生长，生成晶体有比较高的 纯度。 石英是什么 石英晶体六角锥体两顶点的连线称为Z轴，又称光轴；在Z轴垂直的横截面上， 六角形的三条对角线称为X轴，又称电轴；与X轴垂直的三条线称为Y轴，又称机 械轴。若在电轴或机械轴方向对石英片施加外力使其形变 ，则垂直与该轴的方向 上会产生符号相反、数值相等的电荷。 STRAIN EXTENSIONAL along: SH

3、EAR about: FIELD along: X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z 石英的压电效应 压电效应能使压电晶体的机械特性和电路信号之间相互转化 。石英在 电场的作用下，有五种机械变化。下页显示的变化模式可以在合适的 电极位置和形状下产生。常用Y-切系列，包括AT、BT和ST切。 无形变 X + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 形变 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _

4、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ X - + Y Y _ _ 压电效应 弯曲模式延长模式对角拉伸模式 厚度切割模式基频厚度切割模式 三次泛音厚度切割模式 Modes of Motion 0 jX -jX 电抗 基频 3rd 泛音 5th 泛音 Frequency Spurious responses Spurious responses Spurious responses 石英晶体的泛音响应 xxl y z The AT, FC, IT, SC, BT, and SBTC-cuts 是零温度 系数切型中的几种。 LC 是用于石英温度计的一种 线性温度系数切型 Y-cut: +9

5、0 ppm/0C (厚度切割模式) X-cut: -20 ppm/0C (延长模式) 90o 60o 30o 0 -30o -60o -90o0o 10o20o30o AT FCIT LC SC SBTC BT Singly Rotated Cut Doubly Rotated Cut 石英温度系数切割角度 r m R R R R r mY Z AT-cut BT-cut 49o 35o -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Y-bar quartz Z 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -45 -40-35-3

6、0 -25-20-15-10-5051015202530354045505560657075808590 f f (ppm) Temperature (oC) = 35o 20 + , = 0 for 5th overtone AT-cut = 35o 12.5+ , = 0 for fundamental mode plano-plano AT-cut AT-cut频率温度特性与切割角度的关系 SC-cut 的优势 瞬时温度补偿-能适应快速温度变化 能做成高稳定的OCXO and MCXO-静态和动态频率温度特性好 稳定性高 驱动电平低 平面压力补偿-边缘压力和弯曲引起的f 较小 对辐射的敏

7、感度低 较高的电容比 -振荡器阻抗变化引起的 f 较小 电极形状的敏感度低 SC-cut的劣势 : 制造恒温晶振（OCXO）的难度大 (它比 AT-cut 制成 精确的温补晶振 （TCXO） 而言更易制成微机补偿晶振（MCXO） ） SC and AT-cuts的比较 2、石英晶体谐振器 需要外加IC才能振荡 石英晶体谐振器应用范围 石英晶体谐振器是一种用于稳定 频率和选择频率的电子器件，已被广泛 应用于无绳电话载波通讯、广播电视、 卫星通讯、原子钟、数字仪表、计算机 程控交换机、VCD、DVD、彩电机顶盒 、铁路信号及通讯中的频率信号源设备 中，还可以作为温度、压力、重量的敏 感元件使用，现

8、被广泛地应用于军用载 波、通讯设备与民用产品中。 石英晶体谐振器的优点 1、稳定性好，变化小； 2、准确性好，精度高； 3、低功耗，激励功率小； 4、固定性（非可调式）。 Base Mounting clips Bonding area ElectrodesQuartz blank Cover Seal Pins Quartz blank Bonding area Cover Mounting clips Seal Base Pins Two-point Mount PackageThree- and Four-point Mount Package Top view of cover 石英晶

9、体谐振器的构造 C L R Spring Mass Dashpot 缓冲 等效电路 石英晶体振荡模式、切角、频率范围、厚度或长度及 曲率系数 1. Voltage control (VCXO) 2. Temperature compensation (TCXO) Symbol for crystal unit CL C1 L1 R1 C0 CL 石英晶体谐振器等效电路 石英晶体谐振器等效电路 等效电路参数间关系 参数解释 n: 泛音次数 C0: 静态电容 C1: 动态电容 C1n: C1 of n-th 泛音 L1: 动态电感 L1n: L1 of n-th 泛音 R1: 动态电阻 R1n:

10、R1 of n-th 泛音 : 石英介电常数40 x 10-13 pF/mm (average) A: 电极面积 t: 白片厚度 r: 电容比 r: f1/fn fs: 串联谐振频率 fR fa: 并联共振频率 Q： 品质因数 1: 时间常数 : 角频率 = 2f : 阻抗相位角 k： 压电耦合因数=8.8% for AT-cut, 4.99% for SC 0 + - Reactance 振荡器通常工作区 振, fa Frequency 谐振, fr 石英晶体谐振器阻抗频率特性 封口烘焙微调 最终 清洗 频率 检查 清洗检查点胶安放 支架 准备 电镀 厚度 分类 清洗 蚀刻 (化学试剂) 倒

11、角 角度 确认 X射线 测角度 车圆叠片切割清洗 石英 生长 设计 测试 成品 晶体谐振器制作工艺 S Copper target X-ray source Shielding Monochromator crystal 检测器 被测晶片 Double-crystal x-ray diffraction（衍射 ）system 测角器 X-ray 柱 用X-ray 测晶片方向 在制造过程中，污染必须得到控制，否则会带来以下不良后果： 稳定性 - 老化 - 滞后 - 噪音 - 非线性和阻抗异常 - 频率突变 生产制造 可靠性 污染控制 晶片周围环境和封装过程对谐振器的稳定性有重要影 响。 单层能吸

12、附的污染物质在 1015 微粒/cm2 之内(光滑 表面) 10-7托的真空度可含 109 气态微粒/cm3 因此: 在 1 cm3 的空间内吸附的污染物质是在10-7托的真空 度内所含气态微粒的106 倍。这些吸附物质将会导致老 化、滞后、噪音等现象。 晶片周围污染 3 3、石英晶体振荡器 内含IC，外加电压就可以振荡 调整电压 晶体谐振器 放大器 输出频率 石英晶体振荡器内部结构 在某一振荡的频率下其闭环相移 = 2n. 当有激励时，最初仅产生噪声信号。噪声中只有 那些频率满足振荡相位条件的，才能形成振荡且幅 度增加。 幅度增加的比例取决于外部条件，如 激 励信号、闭环增益、晶体所在网络的

13、带宽等。 幅度一直增加，直到因元件的非线性或自动增益 控制引起的增益下降为止。 在稳定状态下闭环增益 = 1。 振荡 XOCrystal Oscillator晶体振荡器 VCXOVoltage Controlled Crystal Oscillator压控晶体振荡器 OCXOOven Controlled Crystal Oscillator恒温晶体振荡器 TCXOTemperature Compensated Crystal Oscillator 温度补偿晶体振荡器 TCVCXOTemperature Compensated/Voltage Controlled Crystal Oscill

14、ator温度补偿/压控晶体振荡器 OCVCXO.Oven Controlled/Voltage Controlled Crystal Oscillator 恒温/压控晶体振荡器 MCXOMicrocomputer Compensated Crystal Oscillator 微机补偿晶体振荡器 RbXO.Rubidium-Crystal Oscillator铷晶体振荡器 晶体振荡器缩写 根据晶体的温度频率特性，将晶体分为三类： XO, crystal oscillator, 不含温度频率特性. 在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10 -5量级，一般用于普

15、通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。 TCXO, temperature compensated crystal oscillator, 温度补偿型. 它是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿措施，以达到在宽温度范围内满足 稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络，补偿后频率稳定度在10- 710-6量级。由于其具有良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应 性较强等多方面优点，因而获行了广泛应用。 OCXO, oven controlled crystal oscillator, 恒温控制型. 它是采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点上的晶体振荡器。中 精度产品频率稳定度为10-710-8