石英晶振原理.docx

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石英晶振原理

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1

    2、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。

它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

图2

    3、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到几百mH。

晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。

晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效（与晶片表面光滑度成反比,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100Ω。

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=1/2∏fsCR）很大，可达1000～10000。

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。

图3

    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、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—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fs＜f＜fd极窄的范

围内，石英晶体呈感性。

图4

5.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

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21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。

    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1~30MHz。

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14×10×3mm。

    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10^（-7）～10^（-6）量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。

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10^（-10）至10^（-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、500kHz、503.5kHz、1MHz～40.50MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000MHz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度。

频率精度从10^（-4）量级到10^（-10）量级不等。

稳定度从±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30～100倍。

采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm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±25ppm，VCXO的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±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外，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650～1700MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。

    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2mA。

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±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SMDTCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。

OAK公司的10～25MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01ppm的稳定度。

五、生产制程简介

1.晶体选择:

晶体分天然晶体和人工晶体.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.

2.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,又称晶片.

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

圆形方形SMT专用

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,+/-30PPM

BT-Cut:

切割角度:

490

F（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25±3oC,在-10oC~70oC这一区间,其温度频差一般为±30PPM,温度特性较好.

图5

BT-CUT温度曲线如图6所示,温度特性很差,温度频差一般为±100PPM.

因晶振的切割方法对晶振的众多参数影响很大,故在晶振代用时,除了考虑频率,负载电容是否相同外,还应考虑其切割方法是否一致,不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。

圆形晶片

直径

D=8.9mm

D=8.0mm

D=5.5mm

频率

12.0MHz

27.0MHz

35.0MHz

方形晶片12MHz

被银面

5*1.6mm2

4*1.6mm2

C0

3.2±0.1pf

2.8±0.1pf

被银面定了,C0就稳定了

被银面↑C0,C1↑阻抗↓活力↑

晶振由ICPower驱动,越低越好,若POWER过大引起过激励而使X201无法起振

Rr与F无关对Q值有影响

CL↓FL↑

修改C1,C2,R影响Vpp相位（起振条件）

3.研磨

对晶片的表面进行研磨,使其厚度及表面粗糙平整度达到要求.

一般实际的晶片的厚度要比理论上的要小,这是因为后面的蒸镀工序将在晶片表面蒸镀一层银而使晶片厚度增加.以上可用下列式子表示:

理论厚度=实际厚度+蒸镀层厚度

4.倒边,倒角（此工序只针对低频）

5.腐蚀,洗净

去除晶片表面杂质

6.蒸镀

在晶片表面蒸镀一层银做为电极,

7.组立

导电银胶,HOLDER,触点阴抗约3欧左右,C0

8.频率微调

先用银层镀薄一点作为其电极,后调节镀银层之厚度一改变晶片厚度来达到微调的作用

9.完成检查

各个参数的测试,如Rr,C0,绝缘性,气密性等

图4

 六、石英晶体振荡器的应用

    1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。

不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。

石英晶体振荡器原理的示意如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。

振荡系统的元件参数确定了振频率。

一般Q、C1及C2均为外接元件。

另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。

故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。

但此时我们仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。

根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：

若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。

此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。

若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。

如图5所示。

此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。

只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。

因此，晶振可用于时钟信号发生器。

    2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。

面且晶振价格便宜，更换容易。

    3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。

许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。

常见问题分析

1：

如何选择晶体？

对于一个高可靠性的系统设计，晶体的选择非常重要，尤其设计带有睡眠唤醒（往往用低电压以求低功耗）的系统。

这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振。

这一现象在上电复位时并不特别明显，原因时上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。

在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。

在振荡回路中，晶体既不能过激励（容易振到高次谐波上）也不能欠激励（不容易起振）。

晶体的选择至少必须考虑：

谐振频点，负载电容，激励功率，温度特性，长期稳定性。

2：

如何判断晶振是否被过分驱动？

电阻RS常用来防止晶振被过分驱动。

过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升。

可用一台示波器检测OSC输出脚，如果检测一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰，波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过分驱动。

这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动。

判断电阻RS值大小的最简单的方法就是串联一个5k或10k的微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。

通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值。

3：

如何选择电容C1，C2？

（1）：

因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。

（2）：

在许可范围内，C1,C2值越低越好。

C值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。

（3）：

应使C2值大于C1值，这样可使上电时，加快晶振起振。

（4）对于32KHZ以上的晶体振荡器，当VDD>4.5V时，建议C1=C2≈30PF。

（C1—相位调节电容,C2—增益调节电容）

4:

如何对晶振进行验证?

根椐晶振的特性,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¶fsC1R1

AT-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