晶振知识讲座

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SY.晶振教程目录1. 石英晶体………...……32. 石英晶体谐振器…….………………. 133.石英晶体振荡器……..284.振荡器的稳定性……..365.我司实际使用的晶振相关介绍……………...……..546.石英晶体谐振器选用的注意事项……..…...……… 647.石英晶体谐振器在使用过程中的一些注意事项….691、石英晶体石英是什么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。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。STRAINEXTENSIONALalong:SHEARabout:FIELDalong:XYZXYZXYZXYZ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+++++++++++++++++++++____________________X-+YY__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ModesofMotion0jX-jX电抗基频3rd泛音5th

泛音FrequencySpuriousresponsesSpuriousresponsesSpuriousresponses石英晶体的泛音响应xxlyzTheAT,FC,IT,SC,BT,andSBTC-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:+90ppm/0C(厚度切割模式)X-cut:-20ppm/0C(延长模式)90o60o30o0-30o-60o-90o0o10o20o30oATFCITLCSCSBTCBTSinglyRotatedCutDoublyRotatedCut石英温度系数切割角度rmRRRRrmYZAT-cutBT-cut49o35¼o-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OCXOandMCXO---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））SCandAT-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）。BaseMountingclipsBondingareaElectrodesQuartzblankCoverSealPinsQuartzblankBondingareaCoverMountingclipsSealBasePinsTwo-pointMountPackageThree-andFour-pointMountPackageTopviewofcover石英晶体谐振器的构造CLRSpringMassDashpot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.Voltagecontrol(VCXO)2.Temperaturecompensation(TCXO)SymbolforcrystalunitCLC1L1R1C0CL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:C1ofn-th

泛音L1:动态电感L1n:L1ofn-th

泛音R1:动态电阻R1n:R1ofn-th

泛音:石英介电常数40x10-13

pF/mm(average)A:电极面积t:白片厚度r:电容比r’:f1/fnfs: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%forAT-cut,4.99%forSC0+-Reactance振荡器通常工作区反共振,faFrequency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SCoppertargetX-raysourceShieldingMonochromatorcrystal检测器被测晶片Double-crystalx-raydiffraction（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1cm3

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

XO…………..CrystalOscillator晶体振荡器

VCXO………VoltageControlledCrystalOscillator压控晶体振荡器

OCXO………OvenControlledCrystalOscillator恒温晶体振荡器

TCXO………TemperatureCompensatedCrystalOscillator

温度补偿晶体振荡器

TCVCXO..…TemperatureCompensated/VoltageControlled

CrystalOscillator温度补偿/压控晶体振荡器

OCVCXO.….OvenControlled/VoltageControlledCrystalOscillator

恒温/压控晶体振荡器

MCXO………MicrocomputerCompensatedCrystalOscillator

微机补偿晶体振荡器

RbXO……….Rubidium-CrystalOscillator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,crystaloscillator,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，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。

TCXO,temperaturecompensatedcrystaloscillator,

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10-7~10-6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,ovencontrolledcrystaloscillator,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10-7~10-8，高精度产品频率稳定度在10-9量级以上。它主要用作频率源或标准信号。晶体振荡器的种类TemperatureSensorCompensationNetworkorComputerXO

TemperatureCompensated(TCXO)-450C+1ppm-1ppm+1000CTOvencontrolXOTemperatureSensorOven

OvenControlled(OCXO)-450C+1x10-8-1x10-8+1000CTVoltageTuneOutput

CrystalOscillator(XO)-450C-10ppm+10ppm250CT+1000C不同晶体振荡器的温度曲线TCXO补偿后的频率可变电容CL的补偿电压Frequency/Voltage未得补偿的频率T温度晶体振荡器频率温度补偿特性

参数切型,泛音切型角度公差白片电镀后频率公差活性滞后作用(-550Cto+850C)年老化率

MCXOSC-cut,3rdLooseLooseLow10-9to10-810-8to10-7

TCXOAT-cut,fund.TightTightSignificant10-7to10-610-7to10-6MCXO-TCXO比较4、振荡器的稳定性精确但不准确不精确也不准确准确但不精确即准确又精确TimeTimeTimeTime稳定不准确不稳定也不准确准确但不稳定即稳定又准确0ffff准确度、精确度和稳定性的关系

时间

•短期(噪声)•中期(例如温度波动的影响)•长期(老化率)温度

•温度对静态频率的影响•温度对动态频率的影响(如加热、热冲击)•Thermalhistory("hysteresis,""retrace")加速度

•重力

•噪声•振动 •震动电离辐射

•稳定状态 •光子(X-rays,-rays)•脉冲 •粒子(中子,质子,电子)其它•电源电压 •湿度•磁场

•大气压力 •负载电阻对谐振频率有影响的因素3210-1-2-3t0t1t2t3t4TemperatureStep振动震动振荡器的开启和关断2-gTipover辐射Timet5t6t7t8老化率OffOn短期不稳定理想状态下上述各种因数随时间的推移对频率的影响510152025Time(days)短期不稳定(噪声)f/f(ppm)3025201510老化和短期稳定性的关系f/fA(t)=5ln(0.5t+1)TimeA(t)+B(t)B(t)=-35ln(0.006t+1)典型老化特性稳定频率(理想振荡器)不稳定频率(实际振荡器)Time(t)Time(t)V1-1T1T2T31-1T1T2T3V(t)=V0sin(20t)V(t)=[V0+(t)]sin[20t+(t)](t)=20t(t)=20t+(t)

V(t)=振荡器输出电压,V0=正常峰值电压振幅(t)=噪声的振幅, 0=载波频率(t)=瞬时相位,

(t)=异常相位V短期不稳定性(噪声)振幅不稳定性频率不稳定性相位不稳定性-Voltage+0Time振荡器瞬时输出电压

振荡器工作的状态和可遇见性变差

影响谐振和同步的精度

限制接受器的可用动态范围、频道间隔、选择性；影响抗干扰能力

影响雷达性能（特别是多普勒雷达）

引起时序错误

引起数字通讯的位码错误

限制通讯系统用户数量，因为发射机的噪声会对邻近频道的接受器产生干扰

影响航海精度

影响窄带谐振器的锁定能力

引起失锁；影响锁相环系统保持和锁定振荡器噪声的影响

主要因素：切割角度

次要因素:

泛音

白片形状（外型、几何尺寸）

材料纯度和应力

装配&焊接压力(大小和方向）

电极（大小、形状、厚度、密度、压力）

驱动电平

干扰模式

负载电抗（大小和温度系数）温度变化的速率

受热过程

电离辐射

谐振器频率温度特性的决定因素

采用补偿反馈技术可得105

的热增益(如：测量外界温度和调节补偿电热调节器的设置点)。例如，如果外部DT=100oC

，内部DT=1mK

，则可获得105

的热增益。

优良放大器的稳定性为1mK/K

电热调节器的稳定性在1mK/年～100mK/年

噪声<1mK(包括电热调节器的噪声、放大器的噪声、整流电流的噪声)

温度波动的量子级限制为1nK

最佳恒温设计能提供较高的频率温度稳定性

恒温稳定性的要求{Deviationfromstaticfvs.t=,where,forexample,-2x10-7s/K2foratypicalAT-cutresonator

Time(min)烘箱加热时间FractionalFrequencyDeviationFromTurnoverFrequency369121510-310-410-5-10-610-710-8-10-8-10-710-60加热对AT-和SC-cut谐振器的影响T摄氏度SC-cutr=Co/C1=746=0.13012840-4-8-12-502004507009501200145017001950*10-6负载电容

对频率温度特性的影响(ppm)53MT,0C50403020100-10-20-30-50-100-80-40-20-020406080

AT-cut参考切割角()比泛音模式高8分.(

SC-cut泛音模式的参考切割角()又高30分)1-60-40谐波对频率温度特性的影响在高电平驱动时，因石英的非线性使谐振曲线变得不对称NormalizedcurrentamplitudeFrequency10-610W100W400W4000W幅频特性FrequencyChange(partsin109)806040200-201002003004005006007005MHzAT3diopter10MHzSC2diopter10MHzSC1diopter10MHzSC10MHzBT晶体电流(微安)频率和驱动电流的关系10-310-210-1110100ResistanceR1IX(mA)不规则起始电阻正常工作范围驱动电流的影响驱动电流和电阻的关系

晶体振荡器没有内在失效机制。有些可以工作数十年也没有出现失效。振荡器失效（超出规格范围）有时是以下原因造成：

较差的制作工艺和品质控制。例：焊点松动、封装漏气、材料偶然故障。

因老化严重且调整范围不足，频偏超出标准范围。

因老化影响，TCXO的频率温度特性退化。

因温度设置点的漂移，OCXO的频率温度特性退化。因频繁的浸渍使振荡停止、频偏超出标准范围、在某些温度下变成噪音。

因使用未清洁的晶片或电路元件参数选择不当使在电离辐射时，振荡停止、频偏超出标准范围。

因振动引起的噪声使振荡器噪声超标。

因表面加工不当，冲击时使晶片破裂。

晶体振荡器失效原因5、我司实际使用的晶振相关介绍27MHz--49US产品规格书（1）

1.

频率：27.000MHz2.

频差：（25℃±2℃）±30PPm3.

外形：HC-49US4.

振动模式：AT-基频5.

工作温度：-20℃-70℃6.

温度频差：±30PPm（-20℃-70℃）7.

贮存温度：-55℃-125℃8.

激励功率：0.1mwMAX9.

负载电容：20PF10.

静电容：7PFMAX27MHz--49US产品规格书（2）11.

等效电阻：40ohm12.

绝缘电阻：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.

跌落测试：在75cm高处自由落体在硬木板上3次，频率偏差小于±5PPm，电阻偏差小于±15%相应参数介绍（1）1、标称频率

该频率特指晶体技术条件中规定的频率，表示为MHz或KHz。2、调整频差标称频率在一定温度（一般是25℃）下的允许偏差，表示为百分数（%）或百万分之几（ppm）。3、频率稳定性

稳定性是指标称频率在一定温度范围内的允许偏差，规定在25℃下，此项偏差为0，以标称频率的百分数（%）或百万分之几（ppm）来表示。如前所述，这个参数与石英晶片的切角密切相关。4、工作温度范围

石英晶体元器件在规定的误差内工作的温度范围。

相应参数介绍（2）5、温度频差在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（25℃±2℃）时工作频率的允许偏差。6、储存温度

晶体在非工作状态下保持标准特性的温度范围。7、激励功率

晶体工作时所消耗功率的表征值。最大功率是大多数功率器件在保证正常电气参数的情况下，维持工作所消耗的功率，单位为mW或uW。一般情况激励功率应维持在确保石英晶体正常起振和稳定振荡所需要的最低值，以避免年老化特性不良和晶体损伤。

相应参数介绍（3）8、负载电容（CL）

与晶体一起决定负载谐振频率的有效外界电容。任何外部电容一旦与石英晶体串联，即会成为其谐振频率的一个决定因素。负载电容变化时，频率也会随之改变。因此，在电路中使用时，经常会以标准负载电容来微调频率至期望值。9、静态电容（C0）

等效电路中与串联臂并接的电容。10、等效串联电阻（Rr）

晶体在谐振频率下的电阻值，单位为欧姆。11、绝缘电阻

引线之间或引线和壳体之间的电阻。

相应参数介绍（4）12、DLD2

在特定的功率范围内所测量到的最大与最小阻抗的偏差量。13、RLD2

在指定的变化功率范围内测量到的最大阻抗。14、老化

工作频率在特定时间范围内的变化量，一般表达为最大值，单位是每年频率变化量的百万分之几（ppm/年）。频率随时间而变化的原因有很多，如：密封性和完整性、制造工艺、材料类型、工作温度和频率。实际晶振测试示例（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实际晶振测试示例（2）我司目前做的环境性能试验1、自由跌落将晶振从75cm高度引线向上跌落在3cm厚的硬质木板上，连续3次，恢复1小时后测试，要求△F<10ppm。2、高温储存将晶振置于105±2℃环境中保持48小时，然后在室温中恢复1小时后测试，要求△F