石英晶振原理

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1、石英晶体谐振器From:欧阳联铂石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类 振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供 基准信号。一、石英晶体振荡器的基本原理1、石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它 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（简称为晶片，它可以是正方形、 矩形或圆形等），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

2、 属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的.为了防止Ag电极被氧化，一般在封装时充入N2。 下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。图12、压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应，如图2所示。如果 在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某 一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的

3、谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。PressurePressureApplied pressuregenerates voltageApplied voltagecauses contraction3、符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图3所示。当晶体不振动时，可把它看成一个平板电 容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH至U几百mH。晶片 的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.00020.1pF。晶片振动时因摩擦而造成 的损耗用R来等效(与晶片表

4、面光滑度成反比，粗糙平整度影响R值，它决定了晶振80%的品质)， 它的数值约为100。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q(Q=1/2nfsCR)很大，可达100010000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。Co 丁o等鼓电路电抗孵特性示意囹4、谐振频率从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（1）当L、C、R支路发生串联 谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs 呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、

5、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频 率用fd表示。根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗一频率特性曲线如图4所示。可见当频率低 于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fsffd极窄的范 围内，石英晶体呈感性。Figure 10. The reactance of the crystal varies with the frequency of operation niar resonance.图45.起振条件：1）回路必须为正回授，就是在输入与输出的相位相差360度（或其整数倍）2）在起振频率开回路之增益必须大于一feedbackFigur

6、e 2.Simplified amplifier feedback (sciLlalor) rinruil using a crystal rtsonalor.图5振荡条件：1）相位平衡2）振幅平衡二、石英晶体振荡器类型特点石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。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（TCXO），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）。目前发展中的还有数字补偿式晶体损 振荡（DCXO）等。普

7、通晶体振荡器（SPXO）可产生101-5）101-4）量级的频率精度，标准频率1100MHZ, 频率稳定度是土 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5X3.2 X 1.5mm。电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是101-6）101-5）量级，频率范围130MHz。低容 差振荡器的频率稳定度是土 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 ）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到101-7）101-6）量级，频率范围160MHz，频率稳定度

8、为土 1土2.5ppm，封装尺寸从30X30X 15mm至11.4X9.6X 3.9mm。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箱中，以消除环境温度变化对频 率的影响。OCXO频率精度是101-10）至101-8）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。三、石英晶体振荡器的主要参数晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不 同，标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、 1MHz40.50 MHz等，

9、对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上，也有的没有标称频率， 如CRB、ZTB、Ja等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容 之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相 同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的 低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时 还必须要求负载电容一致，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。频率精度和频率稳定度： 由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频 率稳定

10、度。频率精度从101-4）量级到101-10）量级不等。稳定度从土 1到100ppm不等。这要 根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石 英晶体振荡器。因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择 适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。四、石英晶体振荡器的发展趋势1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石 英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如TCXO这类器件的 体积缩小了 30100倍。采用SMD封装的TCX

11、O厚度不足2mm，目前5X3mm尺寸的器件 已经上市。2、高精度与高稳定度，目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到土 25ppm，VCXO的频率稳 定度在107C范围内一般可达土 20100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般 为土0.0001 5ppm，VCXO 控制在土25ppm 以下。3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率 颤抖的一个重要参数。目前OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。除VCXO夕卜，其它类 型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振 荡器，其频率为6501700 M

12、Hz，电源电压2.23.3V，工作电流810mA。4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源电压一 般为3.3V。目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2 mA。石英晶体振荡器的快速启 动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG 2320SC型VCXO，在土 0.1ppm规定值 范围条件下，频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的SMD TCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的1025 MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能 达到土 0.01 ppm的稳定度。五、生产制程简介1.2.晶体选择：晶体分天然晶体和人工晶

13、体.天然晶体纯度差，资源有限，而人工晶体纯度高，资源丰富,故现在生产晶振基本上多采用人工晶体.晶片切割：晶振中最重要的组成部分为水晶振子，它是由水晶晶体按一定的法则切割而成的，又称晶常用晶片的形状有三种:圆形，方形,SMT专用（方形，但比较小），如图6所示SMT专用方形圆形片.图6晶片的切割可分为 AT-CUT, BT-CUT, CT-CUT, DT-CUT, FT-CUT, XT-CUT,YT-CUT,如图7所示.它是以光轴（Z轴）为参考而命名，每种切法对应一个角度.采用何种切法应根据实际情况而定，如对温度特性要求较好则应采用AT-CUT,如果对晶振要求的频率较高时则采用BT-CUT.晶片的

14、切割方式、几何形状、尺寸等决定了晶振的频率图7下面以AT-CUT和BT-CUT为例，比较不同的切割方法对晶振参数的影响：AT-Cut:切割角度:35013(一般误差在 3,其误差越小其温度特性越好，)F(K)=1670(K)/t(mm)t为晶片之厚度，一般运用，温度特性较发好,+/-30PPMBT-Cut:切割角度:490F(K)=2560(K)/t(mm) t为晶片之厚度，AT-Cut用于基频高频，温度特性差，+/-100PPM当AT-CUT与BT-CUT频率一样时,AT-CUT的本体要比BT-CUT的本体小，其C0,C1,L1 也不一样，如频率为35MHZ，当其面积一样时,AT-CUT本体

15、的厚度为0.02mm,而BT-CUT的本体 厚度为 0.073mm. AT-CUT 的 C0 为 5.5pf,而 BT-CUT 的 C0 为 2.7pf.AT-CUT温度曲线如图5所示，现在我们所用的晶振的中心温度值一般多为253oC,在-10 oC70 oC这一区间，其温度频差一般为 30PP虬温度特性较好.巨dd W-50 0-30-20-10 0 +10+20+30 +40+50 +60 +70+80+90Temperature in CFigure 14.A* B. and C aiv leinpciwl uiw vs. Irc4.5V 时，建议 C1=C230PF 。(C1一相位调节

16、电容,C2增益调节电容)4:如何对晶振进行验证？根据晶振的特性，如温度太高时电极易被破坏;晶片较薄,易断等，一般做如下测试:(1) 振动落下实验(2) Chamber实验(高低温结合)(3) ORT老化实验相关公式:频率：AT-Cut:F(K)=1670(K)/t(mm) t为晶片之厚度，用于中低频切割角度：35013,方向由左至右BT-Cut:F(K)=2560(K)/t(mm) t为晶片之厚度，用于基频高频切割角度:490方向由右至左串联谐振：并联谐振：品质因素:Q=1/2, fsC1 R1AT-CUT 功率:P=2R*(，*f*C*Vcc)2其中R为晶体内部的电阻,C为晶体内部的两电容相加C=C1+C0