晶振知识介绍.ppt

1、晶振知识介绍,石英晶体常规技术指标,标称频率 晶体元件规范所指定的频率。 调整频差 基准温度时，工作频率相对于标称频率的最大允许偏离。常用ppm（1/106）表示。 温度频差 在整个温度范围内工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离。常用ppm（1/106）表示。 谐振电阻（Rr） 晶体元件在串联谐振频率Fr时的电阻值。 负载电容（CL） 与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容,静态电容（C0） 等效电路静态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积、晶片厚度和晶片加工工艺。它的常用计算公式为： C0=KC0AeF0C常数 KC0电容常数，其取值与装架形 式、晶片形状有关; Ae电极面

2、积，单位mm2； F0标称频率，单位KHz； C常数常数，单位PF; 动态电容（C1） 等效电路中动态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积，另外还和晶片平行度、微调量的大小有关。它的常用公式为： C1=KC1AeF0C常数 KC1电容常数；,Ae电极面积，单位mm2; F0标称频率，单位KHz; C常数常数，单位PF; 动态电感（L1） 等效电路中动态臂里的电感。动态电感与动态电容是一对相关量，它的常用公式为： L1=1/(2F0）2C1 (mh) 串联谐振频率（Fr） 晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个。,负载谐振频率（FL） 晶体元件与一负载电容串联或并联，其组合阻抗为电阻性

3、的两个频率中的一个频率。 品质因数（Q） 品质因数又称机械Q值，它是反映谐振器性能好坏的重要参数，它与L1和C1有如下关系 Q=wL1/Rr=1/wRrC1 如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且还会导致频率不稳定。反之Q值越高，频率越稳定。 相对负载频率偏置（DL）,晶体负载谐振频率相对于串联谐振频率的变化量DL=(FL-Fr)/Fr，可由下式近似计算： DLC1/2（C0CL） 相对频率牵引范围 （ DL1,L2） 晶体在两个固定负载间的频率变化量。 D(L1,L2)=(FL1-FL2)/Fr=C1(CL2-CL1)/2(C0+CL1)(C0+CL2) 牵引灵敏度（TS） 晶体频率

4、在一固定负载下的变化率 。 TS-C1 *1000/ 2*（C0+CL）2 激励电平相关性（DLD） 由于压电效应，激励电平强迫谐振子产生机械振荡，在这个过程中，加速度功转化为动能和弹性能，功耗转化为热。后者的转换是由于石英谐振子的内部和外部的摩擦所造成的。 摩擦损耗与振动质点的速度有关，当震荡不再是线性的，或当石英振子内部或其表面及安装点的拉伸或应变、位移或加速度,达到临界时，摩擦损耗将增加。因而引起频率和电阻的变化。 加工过程中造成DLD不良的主要原因 谐振子表面存在微粒污染。主要产生原因为生产环境不洁净或非法接触晶片表面； 谐振子的机械损伤。主要产生原因为研磨过程中产生的划痕。 电极中存

5、在微粒或银球。主要产生原因为真空室不洁净和镀膜速率不合适。 装架是电极接触不良； 支架、电极和石英片之间存在机械应力。 寄生响应 所有晶体元件除了主响应（需要的频率）之外，还有其它的 频率响应。减弱寄生响应的办法是改变晶片的几何尺寸、电极，以及晶片加工工艺，但是同时会改变晶体的动、静态参数。 寄生响应的测量 SPDB 用DB表示Fr的幅度与最大寄生幅度的差值；,SPUR 在最大寄生处的电阻； SPFR 最小电阻寄生与谐振频率的距离，用Hz或ppm表示。,加工难度大的指标,调整频差小于 +/-5 PPM。 温度范围宽频差窄的。 有Q值要求的。 49S晶体矮壳的。 有C0、C1、TS的。,晶体测量

6、设备,目前晶体测试仪组成方式多为网络分析仪（或厂家自制网络分析卡）加专用软件。 测试功能强,几乎所有的晶体参数全能测出。 目前世界晶体行业公认的设备厂商有美国S&A公司、香港科研公司，他们的设备准确度高、稳定性好、应用面广。,美国S&A公司测试设备,250A 350A 350B 250B,香港科研公司测试设备,KH1200 KH1102 KH3020 KH3288,石英晶体应用过程中应注意的问题,防止对晶体破坏 石英晶体的心脏部件为石英晶片，它随晶体频率的增加而变薄，因此对于中、高频晶体在使用、运输过程中应避免发生剧烈冲击和碰撞。以防因晶片破裂而造成产品失效。 石英晶体是靠导电胶连接基座和晶片

7、的。导电胶的主要成分是银粉和环氧树脂。环氧树脂在高温下会失效。因此建议石英晶体应避免在150以上长时间存放。 规定工作温度范围及频率允许偏差 工程师可能只规定室温下的频差。对于在整个工作温度范围内要求给定频差的应用，还应该规定整个工作温度范围的频差，规定这种频差时，应该考虑设备引起温升的容限。 规定整个工作范围内频差的基本方法有两种：,规定整个温度范围内的总频差，如：-20-70范围总频差为50ppm，这种方法一般用于具有较宽频碴而不采用频率微调的场合。 规定下列部分的频差： a.基准温度下的频差为20ppm； b.在-20-70整个温度范围内，相对于基准温度实际频率的偏差 20ppm； 这种

8、方法一般用于具有较严频差的，要靠频率牵引来消除基准温度下频差的场合。 负载电容和频率牵引 在许多应用中，都是用一负载电抗元件来牵引晶体频率的。这对于调整制造公差、在锁相环回路中以及调频应用中可能是必要的。 在绝大多数应用中，这个负载电抗元件是容性的。 负载谐振频率（FL）与谐振频率（Fr）的相对频率成为“负载谐振频率偏置（DL）”。,用下式计算相对负载谐振频率偏移： DL=(FL-Fr)/Fr C1/2（C0CL） 在许多应用中，用可变电容器作为负载电抗元件来调节频率。这个负载电抗元件规定值之间所得到的相对频率范围成为“相对牵引范围”，它可用下式计算： D(L1,L2)=(FL1-FL2)/F

9、r=C1(CL2-CL1)/2(C0+CL1)(C0+CL2) 在规定负载电容下的牵引灵敏度（TS）是一个对设计师十分有用的参数。 它定义为负载电容增量变化引起的相对频率增量变化。 它通常以ppm/pF表示,可通过下式计算： TS-C1/ 2（C0+CL） 应用电路中对晶体负载电容的估算 在实际应用中，晶体负载电容与电路中负载电抗的匹配非常重要。如晶体负载电容与电路负载电抗不相匹配，要得到准确的输出频率是很困难的，除非电路中存在一个变容量很大的可调电容器。在设计时，粗略估算晶体负载电容是必要的。如图所示：,负载电容简单近似计算如下： CL（C1C2 /（C1+C2）+C杂散 这里C杂散指晶体元

10、件周边电路的分布电容。资料介绍PCB电路板的分布电容多为5-6pF 。,晶 体 振 荡 器,晶体振荡器定义,Package石英振荡器（SPXO） 不施以温度控制及温度补偿的石英振荡器。频率温度特性依靠石英振荡晶体本身的稳定性。 温度补偿石英振荡器（TCXO） 附加温度补偿回路，减少其频率因周围温度变动而变化之石英振荡器。,电压控制石英振荡器（VCXO）控制外来的电压，使输出频率能够变化或调变的石英振荡器。 恒温槽式石英振荡器（OCXO）以恒温槽保持石英振荡器或石英振荡晶体在一定温度，控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器。 除了以上四种振荡器外，随着PLL、Digital、M

11、emory技术的应用，其他功能的多元化石英振荡器也快速增加,时 钟 振 荡 器（CLOCK OSCILLATORS）,标称频率：指定的频率中心值。 频率偏差：全温度范围内频率偏移量。 温度范围：器件经历的环境温度。 输入电压：工作电压。 输入电流：工作电流。 起振时间 : 指从加电开始计时到晶振振荡到标称频率（含频差）所用的时间 。,上升时间(Tr):“0”电平上升到“1”电平的时间 下降时间(Tf)：“1”电平下降到“0”电平的时间 占空比(DUTY) :DUTY=Th/T*100%，TYPICAL：45%-55%,输入电流（测试电路）,SMD 5x7晶振,频率范围：1-100M 工作温度范

12、围与总频差： 0-70 +/-20PPM -40-85 +/-25PPM 起振时间：5mS MAX 工作电压：3.3V、5V 上升、下降时间：10M：10nS MAX 10M：5nS MAX,DIP型晶振（全尺寸、半尺寸）,频率范围：1-83.3M 工作温度范围与总频差： 0-70 +/-10PPM -20-70 +/-20PPM 工作电压：3.3V、5V 起振时间：5mS MAX 上升、下降时间：10M：10nS MAX 10M：5nS MAX,SMD 5x7 VCXO,频率范围：1-36M 工作温度范围与总频差： 0-70 +/-20PPM 工作电压：3.3V 压控电压：0.3V-3.0V

13、 牵引范围：+/-100PPM 线性度：10% MAX 起振时间：5mS MAX 上升、下降时间：10M：10nS MAX 10M：5nS MAX,DIP VCXO（全尺寸）,频率范围：1-27M 工作温度范围与总频差： 0-70 +/-20PPM 工作电压：3.3V 压控电压：0.3V-3.0V 牵引范围：+/-100PPM 线性度：10% MAX 起振时间：5mS MAX 上升、下降时间：10M：10nS MAX 10M：5nS MAX,机械和气候实验（可靠性实验）,密封试验B 试验设备：氦质谱仪 试验方法：氦气加压0.5Mpa，120分钟 判定标准：漏率应小于110Pa*m/sec 自由

14、跌落 试验设备：跌落试验箱 试验方法：高度75cm，30mm厚硬木板，跌落3次。 判定标准：频率变化值应小于+/-5PPM，谐振电阻变化值应小于 15%+3 Ohm。 振动 试验设备：振动试验台,实验设备: 电磁振动台 试验方法：频率10-55Hz，振幅1.5mm，55-500Hz,20g三个垂直方 向,每个方向30分钟。 判定标准：频率变化值应小于+/-5PPM，谐振电阻变化值应小于 15%+3 Ohm。 引出端强度 试验设备：自制夹具，拉力计。 试验方法：按GB/T12273-1996及下列规定进行试验 严酷等级：拉力0.5kg，弯曲力0.25kg。 判定标准：无引线松动及玻璃珠破裂,引线无断裂及明显伤痕。 可焊性 试验设备：可焊性试验台 试验方法：2355，浸渍时间20.5秒，10倍放大镜目测。 判定标准：引线浸润良好，新锡层面积占被试面积的95%以上。,稳态湿热 试验设备：湿热试验箱 试验方法：402、相对湿度93(,)%，放置500小时。 判定标准：频率变化值应小于+/-5PPM，谐振电阻变化值应小于 15%+3 Ohm，绝缘电阻应大于500 M。 老化 试验设备：晶体老化试验箱 试验方法：852，持续720小时，每周测两