晶振基础知识

1、.2 19 21 22 29 晶振基础知识（第一版） 摘要：本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的分类，晶体振荡 器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。 一、振荡电路的定义，构成和工作原理 二、晶体振荡器分类： 三、石英晶体谐振器主要参数指标 四、石英晶体振荡器主要参数指标 五、石英晶体基本生产工艺流程 . 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有,未经允许，不得外传第9 / 33页 、振荡电路的定义，构成和工作原理 1. 振荡器：不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。 2. 振荡器构成：谐振器（选频或滤波） +驱动（

2、谐振）电路构成振荡器电路。 3. 谐振器的种类有：RC谐振器，LC并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐振器，原子谐振 器，MEMS （硅）振荡器。本文只讨论石英晶体谐振器。 石英谐振器的结构 因此只有沿 石英谐振器，它由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。它的性能与晶片的切割方式、尺寸、 电极的设置装架形式，以及加工工艺等有关。其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问 题。由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数， 某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。 Metallic electrodes Reson ator p late substrate (t

3、he Top view of cover 两点裟架封装 三点和四点装架封装 2 yW 口 座 5 妄 C1 = C2 = C 是 fO时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。 -fjv c VA fo 电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对 =R2 = R = 0.7 kQ2kQ,而对于 CMOS 门，则常取 R1 = R2 = R = 10kQ 耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率 振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率 11压控振荡器 11.1施密特触发器型压控振荡器 111 11.2电容交叉充、放电型压控振荡器 Cui Tnt Iki 11.3定时器型压控振荡器

4、 11.4晶体压控振荡器 变容二极管有正变容二极管 （电压变高， HOSONIC 公司 DIP VCXO、SMD VCXO 晶体压控振荡器是通过调节（控制脚）电压，使振荡器输出频率变化的振荡器，主要是通过变 容二极管（Vd）的电容的变化，使晶体谐振器的振荡频率发生变化。 变容二极管是一种随电压变化，容量有一定变化的二极管。 容量变高），和负变容二极管（电压变高，容量变低）。目前 均为负变容二极管。 12.比较器整形电路 12.1门限比较器 12.2迟滞比较器（施密特触发器） 13.单稳态触发器整形电路 晶体振荡器分类: 国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡器（SPXO

5、），电压控制式晶体 振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO ）。 普通晶体振荡器（SPXO）可产生10*5）10*4）量级的频率精度，标准频率 1 100MHZ，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。封装尺寸范围从 21 X 14X 6mm及5X 3.2X 1.5mm。 电压控制式晶体振荡器（VCXO ）的精度是10*6）10*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。封装尺寸14X 10X 3mm。 温度补偿式晶体振荡器（TCXO

6、 ）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10人（-7） 10人（-6）量级，频率范围1 60MHz，频率稳定度为 0.1 2.5ppm ,封装尺寸如 DIP14 , DIP8等, 通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。 恒温控制式晶体振荡器（OCXO ）将晶体和振荡电路置于恒温槽中，以消除环境温度变化对频率的 影响。OCXO频率精度是10人（-10）至10人（-8）量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四 种类型振荡器中最高。 Af 焉出 晶体振荡匪（XO） 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有,未经允许，不得外传第43 / 33页 f+1 ppm XO 一叫

7、 Af 45C + 1 X 10 + 100 C X一P+1O0PC 、/ T -1 ppm 温度补偿晶体振荡器（TCXO） -1 X 10 恒温控制晶体振荡器（OCXO） VCXO原理与结构 5 * 小 1 * in - L n* 1 j g rsw r: civiactoH I /EiflI ocxn駁终组齋 0 3 -J| It 上fSr I 評振蒜輕B 湛控丿嗡出PC3 品 怛海韶 * 底座 13 绝大多数高稳定度晶体振荡器都采用了将晶体恒温的方法。使用了精密的恒温控制槽， 将槽内温度 调节到晶体谐振器的温度频率曲线的拐点上。这样，能最大限度地克服温度对晶体振荡器频率的影 响。在所有的

8、晶体振荡器中， 恒温晶体振荡器的稳定度最好，老化率最小，被广泛用作标准频率源。 恒温方式既可以由单层恒温，也可以由双层恒温。下图是恒温晶体振荡器的基本组成方框图。 、石英晶体谐振器主要参数指标 1. 标称频率：晶体技术条件中规定的频率，标识在产品外壳上。 2. 调整频差：在规定条件下，基准温度(25 2 C)时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。常 见的有 30PPM 和 50PPM。 25 2 C)时工作频率的允许偏 30PPM和 50PPM。温频特性与石英的切割角有关。 晶体谐振器正常工作的温度范围，若无特殊要求，通常为商业级，即温度范围 3. 温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对

9、于基准温度( 差。常见的有 4. 工作温度范围： 070 C。 石英谐振器在谐振频率时的等效电阻。 fL的有效外界电容，通常用 CL表示。 5. 串联谐振电阻： 6. 负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率 负载电容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。 只要可能就应选推荐值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。 BT切等多种类 型。现 基频是在振动模式 近整数倍但不是 7次泛音，9次泛音等。 7. 切型/振动模式：晶体谐振器根据切角的不同，可以分为AT切、SC切、 在获得广泛应用的是 AT和SC切谐振器。振动模式通常分为基频和泛音模式。

10、最低阶次的振动频率。泛音是晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接 整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有3次泛音，5次泛音， 8. 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。 9. 激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。一般不超过1mW。 激励电平可选值有： 2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50 卩 W、20 卩 W、10 卩 W、1 卩 W、 0.1卩W等 ESR或/和频率的变化。 (几十点激励功率)ESR和频率几乎没有变化。 I I z DC 0 IU 6 5 4 3 2 / / / 亠士宀匸才* A,

11、 4 ._. Jnihcfi Olin LiviM tt liiaiw MDtoBwteW II减fE評 恤 如:t|/ 一-iitftass. Sraffiiiticall f,凶* / bra nal.If When Drne 0 ESR(naitgs vtrrlittle Of曲出总上 PWR(激励功率)：晶体工作时所消耗的有效功率。 晶体的DLD特性是指在不同的激励功率测量时， 理想晶体的DLD特性应表现如下： 在一个最高到设计功率的很宽广的激励功率范围中 J I I I Drive Level 异常和理想晶体的 DLD特性 DLD2 :电阻激励功率相关性(RRMAX RRMIN )。

12、单位：欧姆Q FDLD :频率激励功率相关性( FLMAX FL MIN ) 四、石英晶体振荡器主要参数指标 Fo。 1. 标称频率(nominal frequency ):晶体振荡器应输出频率的标称值 频率测量两种方法：方法1测量精度小于等于10-8。 lec Figure 13 - Test circuit for measurement of out put freqiuency, method 1 方法2测量精度大于10-8 fC 433 Figure 14 - Test circuit for measurement of out put frequency, method 2 2工

13、作电压：VDD晶体振荡器正常工作需要提供的电压。目前大量使用的是5V和3.3V供电的晶 振产品。 3. 工作电流：IDD 4. 工作温度范围：T 0能够保证晶体振荡器输出频率及其它各种特性能满足指标要求的温度范围， 可以分为商业级（070C）、工业级（-4085 C）和军品级（-55-125C） 5. 频率准确度：通常是指常温（25度）下，所测晶振频率相对标称频率的差值。 频差（频率精度）是晶体在规定工作条件下的实际频率值与标准值或基准值间频率差的相对值。一 般用PPm（10-6）表示。主要有调整频差和温度频差。调整频差（Frequency Toleranee ）:在规定条件 下，在基准温度（

14、25 2 C）与标称频率允许的偏差。一般用 PPm （百万分之）表示。温度频差 （Temperature toleranee ）：是指在整个工作温度范围内频率偏离基准温度下的频率的最大相对值。 总频差（总频率精度）：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振 荡器频率与给定标称频率的最大频差。总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率 电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。 通常用 6. 频率稳定度（Frequency Stability ）:晶振由于各种因素而引起的输出频率随时间的漂移， 其最大变化的相对值来表示。常见的有30PPM和 50PPM。 3。

15、 任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图 图中表现出频率不稳定的三种因素：老化、飘移和短稳。 0.1秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳 100秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移 1天一次测量的情况。表现了晶振的老化 图3晶振输出频率随时间变化的示意图 曲线1是用 曲线3是用 曲线4是用 a. 老化 10 年，。 即长期稳定度，频率的单向变化。观察的时间为日、月、年、 b. 漂移 频率作缓慢的来回变化，其平均频率偏移为零。引起漂移的主要原因是温度的变化。 各种形式的晶振的温度稳定度列于下表（一般数据，非特殊要求）。 形式 一般晶振 温补晶振 数字温补晶

16、振 恒温晶振 温度范围（C） -30+80 -20+80 -20+80 0+50 温度稳定度 -5 NX 10 -6-7 nx 10 n X 10 -7-8 nx 10 n X 10 -7-10 nx 10 n X 10 （温度变化约5C 要求较高的时钟，一般都采用恒温晶振。而且对于在室内接近恒温的条件下工作 左右），这个指标可以适当放宽。 1秒、10秒。 电路稳定性、工作状态等因素影响而产生 相位噪音也同样可以反映短稳的情 C.短稳 短期稳定度，观察的时间为 1毫秒、10毫秒、100毫秒、 晶振的输出频率受到内部电路如晶体 Q值、元器件噪音、 频谱很宽的不稳定。测量一连串的频率值后，用阿伦方

17、程计算。 况。 频率稳定度还包括开机特性、重现性、负载稳定度、电源稳定度。但时钟一般都在长期连续、固 定的负载、稳压的电源情况下工作，这些指标也可以放宽要求。 6.1频率温度稳定度（Frequency/temperature characteristics）:在标称电源和负载下，工作在规定 温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。 Figure 15 - Test circuit for measurement of frequency/temperature characteristics 6.2频率老化率（frequency ageing 长期稳定度Iong-term

18、frequency stability） :在恒定的环境条件下 测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路 元件的缓慢变化造成的，因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率（如 10ppb/天，加电72小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如：ppm/ （第一年）和i5ppm/ （十年）来表示。 晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构工艺缺陷等问题。应力要经 过一段时间的变化才能稳定，一种叫应力补偿”的晶体切割方法（SC切割法）使晶体有较好的特 性。 6.3日老化率（Aging/day）：振荡器频率一天内频

19、率漂移的数量。 6.4年老化率（Aging/year）：振荡器频率一年内频率漂移的数量。 6.5短期稳定度（short-term frequency stability）:振荡器频率在短时间内发生的随机波动。常用阿伦 方差（Allan varianee）度量，是用时域法描述振荡器短期稳定度的标准方法。相位噪声也同样可 以反映短稳的情况（要有专用仪器测量）。 6.6日波动：指晶振的输出频率在 24小时内的变化情况。通常用其最大变化的相对值来表示。 6.7开机特性：指开机后一段时间（如5分钟）的频率到开机后另一段时间（如1小时）的频率的变化率。 表示了晶振达到稳定的速度。这指标对经常开关的仪器如频

20、率计等很有用。 说明：在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和 关机，这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到（尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台， 当要求频率温度稳定度 w 0.3PPm45C85C ），采用OCXO作为本振，频率稳定预热时间将不少 于5分钟，而采用 MCXO只需要十几秒钟）。 （以标称电源电压输出频率为基准的频率一电压允 6.8频率电压特性：在其他条件均保持不变情况下，由于电源电压在规定范围内变化，振荡器频率 与规定标称电源电压下的频率的最大允许频偏。 许偏差不应超过规定极限值。） 由于负载阻抗在规定范围内变化，振荡器频率与 （以标

21、称负载下输出频率为基准的频率一负载允差不 6.9频率负载特性：在其他条件保持不变情况下， 规定标称负载阻抗下的频率的最大允许频偏。 应超过规定极限值） 6.10相位噪声：信号功率与噪声功率的比率 （C/N）,是表征频率颤抖的技术指标。一般来说雷达等设 备会对相位噪声有特殊要求；单边带中每1Hz带宽的功率对载波功率的相位噪声比不应超过绘于双 对数坐标图各规定垂直线段规定的值 . 短期稳定度的频域ft度，用单边蒂噪声与载波噪声之比尤（f）表示，与嗓声起伏的频 谱孫度民和频率起伏的频谱密度接相关，由F式表示： (24) 尸血比（/） = 式中J 博立叶频率或偏离载波频率扌 相位噪声应该按照下图所示进

22、行测量： 咗C 4337 Figure 44 - Test circuit for the measurement of single-sideband phase noise 抖动是一个时域概念。抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信 6.11相位抖动： 号周期距离其理想值偏离了多少。两种常见的抖动定义: 1.峰峰值抖动，即正态曲线上最小测量值到最大测量值之间的差距。在大多数电路中，该值会随 测量样本数的增多而变大，理论上可达无穷大。因此，这种测量意义不大。 2. RMS（均方根）抖动，即正态分布一阶标准偏差的值。该值随样本数的增加变化不大，因而这种测 量较有意义。但这种测量只在

23、纯高斯分布中才有效，如果分布中存在任何确定性抖动，那么利用整 个抖动直方图上的一阶方差来估计抖动出现的可能性就是错误的。 3. 多个随机抖动源可以用 RMS方式相加。但要得到总的抖动，需要利用峰峰值，以便将随机抖动 与确定性抖动相加。 抖动的测量: 1）通过采用示波器进行时域的测量: Figure 54 - Phase jitter measurement with sampling oscilloscop哙 2）通过使用BER测试设备进行数据域的测量 igi:a signal (73th jitter and warxler) Eirttmall clock wander meaaurBrn

24、Ahh Clock with Jfttcf and WBTldH Jitter fi refe nence clock generalMJi Paneni Clock PLL Ext. Int Phse detector Demodulator output HP LP EE-W.l. Peak-peak RMS I TIE /A PLL LP 10 Hs MTiie Intema reference cladi generaHon Rfautt evEluot 圖 arid d siJiay JK 5tM/P7 Figure 55 - Block diagram of a jitter an

25、d wander analyzer according to ITU-T 0.172 3）.使用相噪测试仪或抖动漂移测试仪进行频域的测量。 7.1对称性（Symmetry占空比）：一个脉冲周期内，高电平与低电平所占比例之比称为占空比，通 常为45%55%，如下图所示。高于规定基准电平以地为参考的时间相对该波形周期的百分数。如 图8所示。 测量方法：以一个波形周期的百分数表示的占空因数应在电压电平以地为基准的50% （见图8） 处进行测量。除非另有规定，TTL和CMOS兼容振荡器的占空因数测量电平应按表8的规定。 表8占空E数的测*电平 可兼容逻辑 1测ft电平 TTL L4V CMOS 1 S

26、OJVqd 7.2逻辑电平：根据输出信号电平的高低分为 TTL、HCMOS、ECL等；TTL和CMOS兼容制振荡器 逻辑输出电压电平不应超过表 1规定的极限值，对 ECL和其它逻辑种类其逻辑输出电压电乎不应 超过规定极限值 表1逻辑输出电压电平 兼容制逻辑振荡器 最大电平 最小电平 TTL CMOS Z 40V 乩W淑数字显示、 O.SOV ojvmA敢字a示） 7.3上升时间：定义为响应从最终输出的 0.1倍至09咅所需的时间， 压电平之间（见图8），测量方波脉冲的前沿时，观测到的逻辑“ 7.4下降时间：定义为响应从最终输出的 0.9倍至0.1倍所需的时间， 压电平之间（见图8），测量方波脉

27、冲的后沿时，观察到的逻辑“ TTL和CMOS兼容振荡器上升和下降时间的测量电平应按表7 辑输出系列测量电平应按规定 通常在10ns以内，在两个规定的电 0 ”至逻辑“ 1 ”的转换时间。 通常在10ns以内，在两个规定的电 1 ”至逻辑“ 0 ”的转换时间。 的规定对于ECL和其他逻 表7上升和下降时间的測it电平 可兼容逻辑 下限测ft电平 上限测量电平 TTL 0. eV 2.0V CMOS 倍号电平10% 馆号电平90% 8. 驱动能力：CMOS输出提供电容值，TTL输出提供电流值 9. 负载电容（Load Capacitanee）：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用

28、CL 表示。 10. 频率复现性（Retrace characteristics）：在规定试验温度下，以稳定条件工作的振荡器关机后保 持在规定的试验温度下一段规定的时间，然后再开机，重现性就是振荡器再开机后规定时刻的频率 与振荡器关机前的即刻频率之差。 对于VCXO还有以下指标： 11. 压控范围（总频偏或牵引度pullability）（ PR）：即通过调谐控制电压改变输出频率。牵引范围 为变化频率（增大或减少）与中心频率的比值。此比值一般用ppm表示。如100ppm 12. 压控电压范围：将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，控制电压的范围。 VDD （电源电压）的一半。 VCXO,

29、13. 中心频率压控电压 VCXO标称频率对应的调谐电压规定为 控制电压为VDD/2时就产生中心频率（标称频率）。 14. 线性度：指压控晶振输出频率与压控电压曲线偏离线性的程度。 15. 输入阻抗（100K） 五.石英晶体基本生产工艺流程 设计谐 振器 点胶烤胶 石英生 长 电清洗 清洗 切割 腐蚀（化学 安装 抛光） 倒边 研磨 倒圆 角度校 准 上架 焊接 镀膜 检验 烘干 老化 试漏 准备封装 性能参数测 量 A X射线定 清洗 最后清洗 F 向 石英的水热生长： 生卷ETl 盖 济原培养基 电清洗 用水和矿（NaOH或NauCXy把肓丘虽装 到呈一预定指诉， 用描板确巨毘豈梯度，使等

30、个厘域接记于等 培莽基逋堂由小的片状卑晶石英组成:G竝 4 cm） 凰度和压才一赧为350C和8002 000大 迁压！進需为4吃gug 培养基缓煌浴聲30 250氏/批次），2亠釵到 兰壬区并沉积在1?晶上。 电清洗是一种从石英中消除某些杂质的提纯加工过程，因此能够改善石英晶体的辐射性 和蚀刻特性。它是一种在高温下完成的电场激励的固态扩散过程。典型电清洗过程的主要步 骤是：把电极加在石英棒上，缓慢将棒加热到500C，再将电压加在电极上，使其沿 Z方向 的电场约为1kV/cm，监测流过石英棒的电流（随电清洗的进行，电流下降），并在电流下降 到某一恒定值后，缓慢将石英棒冷却到室温，最后去掉电压。 在高电场高温情况下，正的杂质离子（如 Li+和Na+）扩散到阴极，并在随后的加工过 程中去掉电极时被消除。在改善耐辐射性方面，电清洗还大大地减少了蚀刻石英时所产生地 许多蚀刻沟道。 石英在光轴方向有许多沟道（也称Z轴）。填隙离子能很容易的沿着这些沟道移动。当 电场作用于其它方向时，电清洗率将大大降低。 切割 把晶棒根据设计尺寸切割，再经过车削，研磨，腐蚀等工艺加