晶振[共31页]

1、张萍,石英晶体振荡器,Inventec Confidential,石英晶体振荡器的工作原理石英晶体振荡器的分类石英晶体振荡器的制成石英晶体振荡器的主要参数石英晶体振荡器的应用,2,伦敦为了迎接千禧年，新建了“摩天转轮”和“千禧桥”。千禧桥横跨英国伦敦的泰晤士河，全长325米，连接了圣保罗大教堂，以及对岸的泰特现代艺术馆，可以同时让5千人使用。千禧桥于1999年落成，于2000年5月13日正式开放，但由于大桥出现摇摆及振动，千禧桥只开放了三天，当局便暂停使用。两年后重新开放。,Page 3,石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件 ,Page 4,振荡器的工作原理,什么是石英,石

2、英的化学成分为SiO2,晶体属于六方晶体系的氧化物矿物，即低温石英，是石英族矿物中分部最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英。受压或受热能产生压电效应。,Page 5,压电效应,石英晶体在压力作用下产生形变 , 同时产生电极化。其极化强度与压力成正比 ,这种现象就称“正压电效应”。反之 ,在电场作用下 ,晶体产生形变 ,其形变大小与电场强度成正比 ,这种现象称“逆压电效应”。 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶体就会变形；反之，若在晶体两侧施加压力，晶体将在两端形成电场这种物理现象即压电效应。 如果在晶振两级加交变电压，晶体就会产生机械振动，晶体的振动又会产生交变电场。机械形变振幅较小，

3、晶体振动的频率比较稳定。当外加交变电压的频率和晶体的固有频率相等时，机械振动的振幅急剧增加。,Page 6,压电效应的图解,Page 7,为什么选用石英作为材料：,在二十多类具有压电效应的晶体中，石英晶体是无线通信设备中最为满意的材料之一。它的机械强度高，物理化学性能稳定，内损耗低等，用它制成的器件被广泛用在频率控制和频率选择电路中。,Page 8,晶振的分类,1.从功能上分晶振分为无源晶振和有源晶振。 英文名称：Crystal 无源晶体 Oscillator 有源晶体 无源晶振只是个石英晶体片，使用时需匹配相应的电容、电感、电阻等外围电路才能工作，精度比晶振要低，但它不需要电源供电，有起振电

4、路即可起振，一般有两个引脚，价格较低。,Page 9,晶振的分类,有源晶振内部含有石英晶体和匹配电容等外围电路，精度高、输出信号稳定，不需要设计外围电路、使用方便，但需要电源供电，有源晶振一般是四个管脚封装，有电源、地线、振荡输出和一个空置端。使用有源晶振时要特别注意，电源必须是稳压的且电源引线尽量短，并尽量与系统中使用晶振信号的芯片共地。,Page 10,晶振的分类,2.从封装形式上有插脚型（PTH）和表面贴片装型（SMD）,Page 11,石英晶体的基本构成,石英晶体的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片 ,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极 ,在每个电极上各焊一根引线接到

5、管脚上 ,再加上封装外壳 ,就构成了石英晶体谐振器 ,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装 ,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。,Page 12,无源晶振的制作工艺流程,无源晶振的组成和特性： 由石英片，电极，基座，上盖，导电胶组成，其关键部分是石英片。石英片是弹性体，它有固定频率。石英片也是压电体，谐振时，振动幅度最大，阻抗最小；失谐时，阻抗迅速加大。,Page 13,石英晶片的切型：在制造工艺中，首先要对石英晶体原材料进行切割研磨处理，其中一道很重要的工序是定角。由于石英片的取向不同，其电压特性、弹性特性和强度特性就不同，用它来制造的谐振器的性能也不一样，经过大量研究，已发现

6、了几十种有用的切割方式。切型的习惯表示方法：AT,BT,CT,DT,ET,FC,SC,LC等。,Page 14,无源晶振的制作工艺流程,无源晶振的制作工艺流程,石英片的清洗：其实很多晶振厂购买已经切割好的石英片作为原材料，在制造中的第一步即为石英晶片的清洗。 利用酒精，热水，IPA，氨水和双氧水混合物，铬酸溶液，纯水等溶剂，石英晶片放入超声波清洗机中进行清洗，并使用无尘烤箱进行烘干处理。其目的是为了去除石英晶片上的杂物，为下一步蒸镀作准备。,Page 15,无源晶振的制作工艺流程,初镀基膜:用真空镀膜原理在洁净的石英晶片上蒸镀薄银层或用离子轰击金靶溅射到晶片表明形成薄金层，形成引出电极，并使其

7、频率达到一定范围。 在蒸镀之前，需将石英晶体放入模具中，此模具将须蒸镀的区域暴露出来，遮住无须蒸镀的地方,Page 16,无源晶振的制作工艺流程,上架点胶：将镀上银（金）电极的晶片装在基座上，点上导电胶，并高温固化，通过弹片或PAD引出电信号。,Page 17,无源晶振的制作工艺流程,微调：采用离子轰击的方式来调整晶片表面电极的厚度；使无源晶振的频率达到规定的要求。,Page 18,无源晶振的制作工艺流程,封焊：将基座与上盖放置在充满氮气（真空）的环境中进行封焊，以保证产品的老化率符合要求，目前比较常用的上盖为陶瓷或者金属，为了降低成本，陶瓷封装将会越来越多。,Page 19,无源晶振的制作工

8、艺流程,密封性检查：检查封焊后的产品是否有漏气现象 粗检漏：检查较大的漏气现象（压差方式） 细检漏：检查较小的漏气现象（压合方式）,Page 20,无源晶振的制作工艺流程,老化及模拟回流焊：对产品加以高温及长时间老化，释放应力以及模拟客户使用环境，暴露制造缺陷，以提高产品的可靠性。,Page 21,无源晶振的制作工艺流程,打标：利用Laser在晶振的外壳上打上标记。如型号，额定频率等等，以便于区分不同的产品。,Page 22,无源晶振的制作工艺流程,测试包装：对成品进行电性能指标测试，剔除不良品，保证产品质量。 测试OK的产品进行包装,Page 23,无源晶振的基本参数,Frequency T

9、olerance（调整频差）：在规定条件下，在基准温度（252）与标称频率 允许的偏差。一般用 PPm（百万分之）表示。 Frequency Stability(温度频差)：指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差。 用 PPm 表示。 Aging（年老化率）：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时 间单位衡量时称为年老化率。 Shunt Capacitance（静电容）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用 C0 表示。 Load Capacitance（负载电容）：与晶体一起决定负载谐振频率 fL 的有效外界电容，通 常用 CL 表示。,Page 24

10、,有源晶振的介绍,有源晶振电路主要由IC、晶体XTAL、电阻、PCB等组成，在实际应用中的线路原理图如下,Page 25,有源晶振的介绍,有源晶振的分类： 普通有源晶振（SPXO），可产生10-510-4量级的频率精度，标准频率1100MHz频率稳定度是100ppm。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。 电压控制式晶体振荡器（VCXO），其精度是10-610-5量级，频率范围130MHz。低容差振荡器的频率稳定度是50ppm。通常用于锁相环路。,Page 26,有源晶振的介绍,有源晶振的分类： 温度补偿式晶体振荡（TCXO），采用温度敏感器件进行温度频率

11、补偿，频率精度达到10-710-6量级，频率范围160MHz，频率稳定度为0.12.5ppm，如果您需要使您的设备即开即用且要求高稳定度，您就必须选用它，如果要求稳定度在0.5ppm以上，则需选择数字温度补偿晶体振荡器（MCXO或DTCXO），它通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。,Page 27,有源晶振的介绍,有源晶振的分类： 恒温控制式晶体振荡（OCXO），它是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器。在OCXO中，有的只将石英晶体振子置于恒温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中，还

12、有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在1*10-9。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。,Page 28,主要参数,上升沿：信号从低到高的过程。 下降沿：信号从高变低的过程 信号的峰值Vp：信号波形所能达到的最大幅度值 上升时间tR：信号从0.1Vp上升到0.9Vp所经历的时间 下降时间tF：信号从0.9Vp下降到0.1Vp所经历的时间 波形宽度tw：信号从0.5Vp上升到Vp再下降至0.5Vp所经历的时间 信号周期T：对于一个周期性信号来说，信号周期T指两个相邻波形出现的时间间隔 占空比D：用来描述波形宽度