Crystal介绍20130522亮平课件

晶體振盪器介紹及應用2013/5/22系統開發二部Light1Agenda1、晶振簡單介紹2、晶振工作原理3、晶振的參數介紹4、晶振的測試方法5、晶振失效的可能原因6、晶振線路線路設計相關7、晶振layout需注意的地方8、相關案例2晶振簡單介紹定義：一種能夠產生系統所需的參考頻率的振盪器。

石英晶體振盪器是利用石英晶體（二氧化矽的結晶體，地殼中含14%，天然純度不高，一般都為人工合成）的壓電效應製成的一種諧振器件。結構：它的基本構成大致是從一塊六角椎體的石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個對應面上塗敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的.為了防止Ag電極被氧化,一般在封裝時充N2.人工合成後機器製作出來的形狀3晶振簡單介紹符號和等效電路：晶振的用途1．通用晶體振盪器，用於各種電路中，產生振盪頻率.2．時鐘脈衝用石英晶體諧振器，與其它元件配合產生標準脈衝信號，廣泛用於數字電路中(如液晶顯示的行頻Gate控制).3．微處理器用石英晶體諧振器.4.許多高性能的石英晶振主要應用於通信網路、無線資料傳輸、高速數位資料傳輸等.5．鐘錶用石英晶體振盪器，其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度，如果走時不准，只要經過耐心的反復試驗，就可以調整走時精度.當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器,稱為靜電電容,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF.當晶體振盪時，機械振動的慣性可用電感L來等效,一般L的值為幾十mH到幾百mH.5晶振簡單介紹晶振的外觀優點：ａ、穩定性好，變化小ｂ、準確性好，精度高ｃ、低功耗，激勵功率小ｄ、固定性晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關,而且可以做得精確,因此利用石英諧振器組成的振盪電路可獲得很高的頻率穩定度.6晶振的工作原理1、壓電效應

若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形,反之,若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應,也就是說,壓電效應能使壓電晶體的機械特性和電路信號之間相互轉化，如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下,晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似.它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關.7晶振的工作原理3.起振條件：a、輸入輸出相位差為360度（或者360n，n∈|Z|）連接晶振的晶片端內部是一個線性運算放大器，將輸入進行反向180度輸出，晶振處的負載電容電阻組成的網路提供另外180度的相移，整個環路的相移360度，滿足振盪的相位條件，同時還要求閉環增益大於等於1，晶體才正常工作。b、閉環增益大於1（引入了負反饋）9晶振的參數介紹晶振的參數

以下我以CoremainchipstbyCLK模塊的晶振X9001（TXC_48MHZ)為例,逐一介紹：10晶振的參數介紹1.

標稱頻率（F0）：48.000MHz

該頻率特指晶體技術條件中規定的頻率,表示為MHz或KHz.2.

振動模式：AT-基頻

一般有彎曲、伸縮、面切變、厚度切變，對於1M以上的小型晶體主要是厚度切變,常見的有AT切,BT切,CT切,DT切,FT切,XT切,YT切,它是以光軸(Z軸)為參考而命名,不同的切割方式諧振頻率也會不一樣，即使切割出來一樣的頻率，靜電容也不一樣（BT比AT小).由此分為基頻和泛音(3th/5th/7th…).常用的晶體諧振器主要是AT切和BT切,由於在技術上AT切的溫度頻差容易控制,故對於溫度頻差要求較嚴格的晶體多用AT切.fundamental<54MHZ,3th/5th/7th:基頻的3、5、7倍.AT-Cut:切割角度:35°13’(一般誤差在±3’,其誤差越小其溫度特性越好,)F(K)=1670(K)/t(mm)t為晶片之厚度,一般運用较多,溫度特性較好,±30PPMBT-Cut:切割角度:49°F(K)=2560(K)/t(mm)t為晶片之厚度,AT-Cut用於基頻高頻,溫度特性差,±100PPM11晶振的參數介紹4.

調整頻差：（25℃±3℃）±15PPm

標稱頻率在一定溫度(一般是25℃)下的允許偏差,表示為百分數(%)或百萬分之幾(ppm),這個參數與石英晶片的切角密切相關.5.

溫度頻差：±30PPm（-20℃-95℃）

在規定條件下，在工作溫度範圍內相對於基準溫度（25℃±3℃）時工作頻率的允許偏差.6.

工作溫度：-20℃-95℃

石英晶體元器件在規定的誤差內工作的溫度範圍.7.

年老化率：±3PPm/year

晶體的諧振頻率和諧振阻抗隨時間的變化量,一般表達為最大值,單位是ppm/年.廠商會通過抽檢預老化來獲取這個參數,所以不排除有比這個“水準”差的,這個是允許的.頻率隨時間而變化的原因有很多,如:密封性和完整性、製造工藝、材料類型、工作溫度等等.13晶振的參數介紹8.

激勵功率：0.3mwMAX

晶體工作時所消耗功率的表徵值.最大功率是大多數功率器件在保證正常電氣參數的情況下,維持工作所消耗的功率,單位為mW或uW.一般情況激勵功率應維持在確保石英晶體正常起振和穩定振盪所需要的最低值,以避免年老化特性不良和晶體損傷.9.

等效串聯電阻(Rr)：60ohmMAX

晶體在諧振頻率下的電阻值,單位為歐姆.(sample提供)10.靜電容(C0)：3PFMAX

等效電路中與串聯臂並接的電容.(sample提供)11.絕緣電阻：500MegaohmMIN./DC100V

引線之間或引線和殼體之間的電阻.12.貯存溫度(TSTG)：-40℃-105℃

晶體在非工作狀態下保持標準特性的溫度範圍.14晶振的測試方法1、）單體測試：

根椐晶振的特性,如溫度太高時電極易被破壞,晶片較薄,易斷等,一般做如下測試:a、自由跌落

將晶振從75cm高度引線向上跌落在3cm厚的硬質木板上,連續3次,恢復1小時後測試,要求△F<10ppm.b、高溫儲存

將晶振置於105±2℃環境中保持48小時,然後在室溫中恢復1小時後測試,要求△F<5ppm.c、耐焊接熱

將晶振於260℃±5℃的焊錫槽浸潤10±0.5秒,浸潤高度距引腳基部2mm，然後在室溫中恢復1小時後測試,要求△F<5ppm.

15晶振的測試方法b、DriveLevel1、按照下圖量測晶振所在線上的電流i.2、Drivelevel=i2*RL=i2*Rr(1+C0/CL)23、測試Spec:Drivelevel<MAXc、Tolerance1、頻率計多次（一般為10次）測量晶振的頻率f,求算數平均值fav.2、FrequencyTolerance(ppm)=（fav-F0）/F0×106ppm.注意：示波器本身的衰減電阻有電感的成份，對高頻波形有影響，因此在碳棒裏面需要加電容進行補償，可以通過調節電容校正。理想的碳棒C=0/R=無窮大/帶寬=無窮大，10X衰減的碳棒輸入電容為16pF,1X為55pF到135PF17晶振失效的可能原因1.較差的製作工藝和品質控制。例：焊點鬆動、封裝漏氣、材料偶然故障。2.因老化嚴重且調整範圍不足，頻偏超出標準範圍。3.因老化影響，TCXO的頻率溫度特性退化。4.因溫度設置點的漂移，OCXO的頻率溫度特性退化。5.因頻繁的浸漬使振盪停止、頻偏超出標準範圍、在某些溫度下變成噪音。6.因使用未清潔的晶片或電路元件參數選擇不當使在電離輻射時，振盪停止、頻偏超出標準範圍。

7.因振動引起的雜訊使振盪器雜訊超標。8.因表面加工不當，衝擊時使晶片破裂。9.受外部信號干擾或者輸入異常不能使晶振工作在工作區域。18晶振的線路設計相關晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點，負載電容，激勵功率，溫度特性，長期穩定性。如何判斷晶振是否被過分驅動？可用一台示波器檢測OSC輸出腳，如果檢測一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時鐘輸入需要，則晶振未被過分驅動；相反，如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過分驅動。並聯電阻的作用：1、產生負反饋，保證放大器工作在高增益的線性區，一般在M歐級，輸出端的電阻與負載電容組成網路，提供180度相移.2、起到限流的作用，防止反向器輸出對晶振過驅動，損壞晶振.3、降低諧振阻抗，使諧振易啟動.19晶振layout注意的地方1.使晶振、外部電容器與IC之間的信號線盡可能保持最短。當非常低的電流通過IC晶振振盪器時，如果線路太長，會使它對EMC、ESD與串擾產生非常敏感的影響。而且長線路還會給振盪器增加寄生電容。OSC在Layout時必須注意:在零件本體下方沿零件邊緣劃一60-80mils禁止區，禁止區須禁制所有層面的自動鋪銅進入禁止區內，如下圖(一)2.GNDPlan禁止區劃法:在CLK的pin處留一缺口讓GND銅箔進入零件下方3.CRYSTAL:線路上Y，C1，C2必需放置在ICpin旁邊，Trace越短越好，4.CRYSTAL零件本體下方禁止走線或是從pin中間穿線21相關案例1CoreTDK家Crystal高溫失效1、Issue：TVnofunctionafteragingtest2、分析a.CheckX9001peripheralcircuitdesignnoproblemb.CheckBOMandcrystalspecificationOKc.Wefind5pcsboardsintrialstage,andfollowFSKmethodtodoheatingtest10time/pcs,butcannotreproducethisissue.d.InDesignPhase,TXCcrystalevaluationtestwasdonetomakesureitcouldworknormallywithAtreyu.AttachmentistestreportfromFYTSI.e.WecheckedthereportagainandallitemstestresultwaspassBesides,HoweralsoreviewedtheoriginaltestreportprovidedbyTXCtoSONYasitrequestedindesignphase,testresultisPasstoo.f.FSKhadsent2pcsNGboardstoFYT,ETAisn’tsure,wewillarrangeSItestagainafterreceivingthem,butSIlabwillbeavailableafter7/23.22相關案例17.confirmdifferentprobewithdifferentinputcapacitancewillinfluencethetestresult,wehavetestX9001toimitateprobewithdifferentinputcapacitance.8.UseAgilent85024AtestNGboardfromFSK,resultisfailasbelow.23相關案例2Issue:FY13ODMBAEUcrystalworkabnormalAnalysis:1、ConfirmpartsbesidesXTALhavenomountedandmaterialissue.2、UsemultimetermeasuretheVoltageatXTALoutput,isastablelevel.3、UseOSCmeasurethewaveformofXTALoutput,crystalhaven’toscillation.4、Change