石英晶体产品基础.ppt

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1、,产品基础培训,2,内容目录,. 前言：石英晶体的电子应用范围 石英晶体谐振器 石英晶体振荡器 产品选型 电路设计注意事项,石英晶体元器件的类别,谐振器：频率控制 振荡器：产生频率信号 滤波器：频率选择 传感器：信号转换 光学元件：光学信号的处理 这次培训主要讲谐振器和振荡器的参数,3,石英晶体的电子应用范围,谐振器与振荡器的应用范围十分广泛，由低端的玩具产品至高端的卫星通讯都会使用谐振器和振荡器。 产品的基本应用是提供准确的时基，要产生时基电源的电路是不可缺的。 目前我司生产的石英晶体产品主要分为两类：石英晶体谐振器和石英晶体振荡器，前者行业中一般简称无源晶体，后者行业中一般简称有源晶振。,

2、4,无源晶体在电路作用,无源晶体无源晶体需要用DSP（数据信号处理器）片内的振荡器，在芯片参数上有建议晶体的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用无源晶体。 无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体和供应商时周边配置电路需要做相应的调整。,5,有源晶振在电路作用,有源晶振有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常

3、使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。 相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。,6,石英晶体的电子应用范围,1-1,第1节石英晶体谐振器,为什么选择石英?,1-3,压电作用在一个压电晶体的机械部分与一个电子电路之间提供一个接合连接。,无变形结构,X,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,_,_,_,

4、_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,变形结构,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,X,-,+,Y,Y,_,_,压电作用图解,1-4,弯曲模式,外部模式,面切变模式,厚度切变模式,基频厚度切变模式,第三泛音厚度切变,振动模式,r,m,R,R,R,R,r,m,Y,Z,AT-切,BT-切,49o,35o,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,Y-bar 石英,Z,25,20,15,10,5,0,-5,-10,-15,-2

5、0,-25,-45,-40,-35,-30,-25,-20,-15,-10,-5,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,f f,(ppm),温度 (oC), = 35o 20 + , = 0 基频 AT-切,温度特性 ( AT 切),1-5,基座,支架,银胶,电极,石英 晶片,外壳,封囗,引线,带引线产品,顶视图,THHF-49U结构图,1-6,1 .外壳 2 .基座 2.1 基座 2.2 支架 2.3 绝缘子 2.4 引出端 3 .晶片 4 .电极 5 .导电胶 6 .绝缘片,SMHF-49B结构图,1-7,SMCE结构

6、图,1.盖板 2.陶瓷基座 3.电极引出端 4.可阀环 5.支撑台 6.石英晶片 7.电极 8.导电胶,1-8,SMAQ/SMAC结构图,1-9,石英晶体符号,CL,C1,L1,R1,C0,CL,石英晶体谐振器的等效电路,负载电容,石英晶体的等效电路,1-10,0,jX,-jX,电抗,基本模式,第3泛音,第5泛音,频率,假响应,假响应,1-11,假响应,一个石英晶体的泛音谐振,基频与泛音典型振荡电路,基频振荡电路,泛音振荡电路,注：C1、C2的选择因考虑晶体的负载电容,注：C1、C2的选择因考虑晶体的负载电容， L1、C3的介入抑制了基频响应,1-12,三次泛音石英晶体谐振器的等效电路,C1,

7、L1,R1,CL,三次泛音石英晶体的等效电路,C3,L3,R3,C0,负载电容,1-13,1-14,n: 泛音数 C0: 静态电容 C1: 动态电容 C1n: C1 的 n-th 泛音 L1: 动态感应系数 L1n: L1 的n-th 泛音 R1: 动态电阻 R1n: R1 的n-th 泛音 : Dielectric permittivity of quartz 40 x 10-13 pF/mm (average) A: 电极区域 t: 镀膜厚度 r: 电容比 r: f1/fn fs: 串联谐振频率 fR fa: 反谐振频率 Q; 品质因数 1: 动态持续时间 : 角度频率 = 2f : 相位

8、角度阻抗 k; 压电耦合因数 =8.8% for AT-cut, 4.99% for SC,等效电路参数关系,谐振器等效参数的测量,有源测量： 阻抗计测量，将谐振器作为振荡器的一部分，利用比较替代的方法进行测量。测量标准：IEC-302。测量精度：5ppm。 无源测量： 网络测量，将谐振器接入网络中，通过频率相位分析进行测量。测量标准：IEC-444。测量精度：2ppm。我司现在所有的测试方法都是无源测量。,1-15,石英晶体谐振器的基本参数,1、 标称频率：晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。 2、 工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。 3、 常温频差：在规定条件下，基准温度

9、（252）时工作频率相对 于标称频率所允许的偏差。 4、 温度频差（TC）：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准 温度（252）时工作频率的允许偏差。 5、 老化率（ Aging ） ：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许 的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。 6、 静电容（C0）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容。 7、 负载电容（CL ）：与晶体一起决定负载谐振频率FL的有效外界电 容。,1-18,石英晶体谐振器的基本参数,8、 负载谐振频率（FL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联 或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率 。 在串联负载电容时

10、，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并 联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。 9、 动态电阻（R1）：串联谐振频率下的等效电阻。 10、负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。用RL表示。 RLR1（1+C0/CL）2 12、牵引能力TS(ppm/pF) ：决定了晶体（振荡）电路的频率可调整范 围。TS=C1/2（C0+CL）2 在同等条件下：频率越高，TS越大 在同等条件下：负载越小，TS越大 在同等条件下：电极越小，TS越大,1-19,11、品质因数（Q） ： Q值决定振荡器电路参数变化时晶体保持振荡 频率稳定的能力。 Q值越高，谐振器频率稳定性和精确性越高。 频率越高，Q值

11、越小；R1越小，Q值越大。水晶的Q值是晶体Q 值的极限。,石英晶体谐振器的基本参数,1-20,决定谐振器Q值的因素,谐振器最大的Q值可以表示为： 其中f时频率，单位HZ， 是实践经验确定的“动态时间常量”，单位是秒，由于切割的角度和振动模式的不同有区别。例如，AT 切割C模式的 = 1 x 10-14 (Qmax = 3.2 百万，5 MHz)，SC切割C模式 = 9.9 x 10-15，BT切割b模式 = 4.9 x 10-15。 其他影响谐振器Q值的因素包括： 泛音 晶片几何形状（轮廓，空间比例） 表面微粒 高激励 材料杂质 封装内部气体 表贴应力 （压力，气体种类） 邦定应力 干扰模式

12、温度 电极几何形状和类型,1-21,石英晶体谐振器的基本参数,11、驱动功率依赖性（DLD ）：是晶体元件谐振频率和电阻随激励电平变化的效应。 我司测量的DLD的方式如下： 高精度产品： DLD测量设置：0.01-100uW/10点， DLD2=Rmax-Rmin，DLD最大电阻和最小电阻之差小于最大规格的20% DLD-R=Rmax， DLD最大电阻应小于产品最大规格电阻 DLD-F=Fmax-Fmin DLD最大谐振频率和最小谐振频率之差小于5PPM 普通产品： DLD测量设置：0.1-100uW/5点 DLD-R=Rmax， DLD最大电阻应小于产品最大规格电阻 DLD-F=Fmax-F

13、min DLD最大谐振频率和最小谐振频率之差小于10PPM 国际标准中规定：一个好的晶体其在不同激励功率下的频率变化不能超过10PPM，阻抗变化不能超过规格要求的20%，同时要求在不同激励功率下的阻抗不能超过规格阻抗。,1-22,石英晶体谐振器的基本参数,12、激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。激励电平可选值 有：0.1mW、50W、20W、10W等。 13、基频：在振动模式最低阶次的振动频率。 14、泛音：晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整 数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动 有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等,2-1,第2节石英晶体振荡器,调

14、频电压,石英晶体,放大器,输出频率,石英晶体振荡器基本电路,2-2,使能控制,2-3,石英晶体振荡器种类,以频率和温度（f vs. T）特性来划分： XO 晶体振荡器 不包含降低晶体的频率与温度特性的种类。 TCXO 温补晶体振荡器 使用一个温度传感器（感温元件）的输出信号作为在晶体网络中的可变电抗的修正电压。电抗的变化量恰能补偿晶体的频率和温度特性。TCXO可以提供大约20倍的晶体频率和温度变化改进。 OCXO 恒温晶体振荡器 其中晶体和其他敏感元件在一个温度稳定的恒温箱（槽）内，调节温度在晶体的频率与温度特性零斜率处。OCXO可以提供大于1000倍的晶体频率和温度变化的改进。,2-4,振荡

15、器缩写形式,振荡器缩写形式 X O。晶体振荡器 V C X O。电压控制晶体振荡器 T C X O 。温度补偿晶体振荡器 T C V C X O 。温度补偿电压控制晶体振荡器 O C X O。恒温控制晶体振荡器 O C V C X O。恒温电压控制晶体振荡器 M C X O。微型电子补偿晶体振荡器 Rb X O 。 铷原子晶体振荡器,2-5,振荡器频率精度层次,2-6,温度传感器,补偿网络 或计算器,水晶振荡器, 温度补偿水晶振荡器 (TCXO),-450C,+1 ppm,-1 ppm,温箱控制,水晶 振荡器,温度传感器,温箱, 温控水晶振荡器 (OCXO),调频电压,输出, 水晶振荡器 (X

16、O),-450C,-10 ppm,+10 ppm,250C,T,+1000C,石英晶体振荡器的种类,2-7,2-8,TCXO补偿 频率,变容二极管 补偿电压 CL,频率 / 电压,未补偿 频率,T,晶体振荡器频率和温度补偿,有源元件与被动元件,谐振器与钟振器的最大区别是，前者是被动元件，後者是有源元件。 谐振器是被动元件，产品本身并无讯号输出，只能在特定的条件下协助振荡电路将频率锁定，稳定性容易受外部元件影响。 钟振器是有源元件，特点是输出端能直接提供驱动讯号，频率的稳定性不容易受外接元件影响。,2-9,钟振的结构图,1.盖板 2.陶瓷基座 3.电极引出端 4.可阀环 5.支撑台 6.石英晶片

17、 7.电极 8.导电胶 9.硅片,2-10,钟振的脚位功能,1.控制端：当1脚电压输入大于VDD70% 或1脚悬空时，振荡器正常 工作有频率输出；当1脚电 压输入小于VDD30%，振荡 器停止工作，并且在3脚输 出高阻抗。2.GND：振荡器连接地端。3.Output：振荡器频率输出端。4.VDD：振荡器输入工作电压端。,2-11,钟振器对比谐振器的优缺点,优点 直接输出讯号，不易受外部元件影响频率精度 精度比谐振器高，OCXO能达5x10E-10 使用方便，最终频率的精度由供应商控制，可减省调频工序所花的费用 客户开发时能节省振荡电路的开发成本、时间，可更快地掌握商机,缺点 成本高 使用的灵活

18、性比谐振器低,2-12,晶体振荡器的参数,1、频率偏差 晶体振荡器实际频率在一定工作条件下与标准频率的偏差。 2、频率温度偏差 晶体振荡器是一定工作温度下频率的变化特性。 3 、频率总偏差 在规定工作条件范围内频率允许偏差满足要求，频率总偏差包括频度偏差，频率温度偏差，电压频率变化，负载变化，老化等。 对于频率稳定度要求20ppm或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于成于1至10ppm的稳定度，应该考虑TCXO。对于低于1ppm的稳定度，应该考虑OCXO。 4、电源和负载 晶体振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。一般考虑为+/-5%或+/-10%。,2

19、-13,5、输出波形 晶体振荡器有CMOS、TTL、CMOS/TTL兼容、PECL和正弦波输出。 6 、起动时间 晶体振器从起动到稳定输出的时间，用ms表示。 7 、上升时间 /下降时间 波形前沿/后沿在两规定电平之间变化的时间间隔，两个电平可以是VOL和VOI两个逻辑电平或是其最大幅度的10%和90%（VHT-VLO） VOL低电平输出电压； VOH高电平输出电压； VHI 脉冲波形的高电平电压； VLO脉冲波形的低电平电压。,2-14,晶体振荡器的参数,晶体振荡器的参数,8 、三态输出 tri-state output 允许或不允许使用输入控制信号的输出状态。不允许方式下，门的输出阻抗置为

20、高阻，允许测试信号加到紧接的下一个状态。 9 、对称性（占空比） 输出电压达到规定电平之上用的时间t1与输出电压达到该规定电平以下用的时间t2之比，用占信号整个周期的百分数表示。规定电平可以是VOL和VOH之间的算术平均值或幅度峰峰值的50%。比值表示为： DUTY=t1/(t1+t2),2-15,2-16,10 、电压调谐与频率变化 VCXO的频率偏移值同加在其调谐电路上的控制电压的大小有关。VCXO标称频率对应的调谐电压规定为VCC（电源电压）的一半。VCC为5V的VCXO，控制电压为2.5V时就产生中心频率。控制电压为（0.54.5）V的VCXO，其频率变化曲线的斜率为正。也就是说，当控

21、制电压从2.5V上升为4.5V时，振荡器的频率将增大；当控制电压从2.5V降为0.5V时，振荡器的频率将减小。振荡器的频率随控制电压变化的特性，往往用调谐灵敏度这一物理量来描述。调谐灵敏度用单位ppm/V表示。如果VCXO的牵引度为100ppm，控制电压范围为（0.54.5）V，则其调谐灵敏度等于50ppm/V。,2-17,11 、电磁干扰 对于要求特殊EMI兼容的应用，EMI是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的PCB母板布局技术，重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说，具有较慢上升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI特性。 PECL型振荡器通常具有最好的总噪声抑制，甚至在10至

22、100MHz的较低频率下，PECL型也比其它型的振荡器略胜一筹。 12、老化率 在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，规定的时限内最大的总频率变化（如：5ppm/每年）来表示。,2-18,13、相位噪声 相位噪声：相位噪声是频率域的概念，在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。 在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下

23、有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有良好的相位噪声性能。采用锁相环倍频器产生输出频率的振荡器比不采用锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。,2-19,2-20,14、抖动 抖动与相位噪声相关，但是它在时域下测量。抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。以微微秒(ps)表示的抖动可用有效值或峰峰值测出。 许多应用，例如通信网络、无线数据传输、ATM和SONET要求必需满足严格的抖动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。 （1）周期抖动（period jitter） 测量实时波形中每个

24、时钟和数据的周期的宽度。这是最早最直接的一种测量抖动的方式。这一指标说明了时钟信号每个周期的变化。 （2）周期间抖动（cycle-cycle jitter） 测量任意两个相邻时钟或数据的周期宽度的变动有多大，通过对周期抖动应用一阶差分运算，可以得到周期间抖动。这个指标在分析琐相环性质的时候具有明显的意义。,2-21,2-22,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。 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，而TCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为1ppm。 3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是

25、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。 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。,2-23,3-1,第3节客户产品选型,客户产品选用的基本原则,开发时间 应用目的 一般情况多以电气性能进行描述 应用时的外部环境 一般情况多以机械性能和产品温度特性进行描述 对产品的期望值 来料检验标准、产品可靠性、特殊要求。,3-2,电气特性,中心频率 负载电容 振荡模式/切型 频率误差

26、 阻抗特性 温度特性 特殊特性 牵引、CO/C1比、Q值、相位噪声,3-3,机械特性,外型尺寸 高度限制/焊盘尺寸/引线长短 抗振能力 抗冲击能力 耐湿耐热 外观,3-4,4-1,第4节电路设计的注意事项,负载电容(CL)的选定,谐振器一如常见的电阻、电容是被动组件，其振荡性能和频率精度均受外部条件影响。最常见的是频率偏倚，常见原因是谐振器的规格与在板等效负载电容不符。,4-2,负载电容(CL)的选定,虽然外接电容值是固定的，但IC、三极管和PCB的分布电容会因加工工艺而做成差异。 常见的反相器振荡电路设计，其等效负载可用: CL=C1 C2 / (C1 + C2) + CS+ CIC CS:

27、PCBA的分布电容 CIC:IC的输入/输出电容,4-3,振荡器起振条件,4-4,振荡电路的负性阻抗(-R),在设计振荡器时，工作时的相位和振荡电路的负性抗阻(-R)是要注意的。当振荡达至稳定时，其相位状态是: Le 1 / C1 = 0 如上文所说，这受外部条件影响的。 振荡电路的-R对振荡的起动性能和稳定性是非常重要的。要达至振荡的最低条件是: Re = | R |,4-5,振荡电路的负性阻抗(-R),这个条件会随应用频率和应用环境而改变。当振荡电路的-R越大时，振荡电路越容易起振。建议用下标准作为设计指引: 设计基频振荡器 | R | 谐振器最大规格电阻的10倍 设计泛音振荡器 | R

28、| 谐振器最大规格电阻的5倍,4-6,振荡电路的负性阻抗(-R),在确认振荡电路的设计时，建议采用简易方法去确认振荡电路的-R的设计容差是否足够。 简易检测方法 方法是在谐振器一端串上固定电阻，电阻值是谐振器规格电阻的5-10倍。在串上电阻后重复测试振荡电路的起动情况。,4-7,振荡电路的负性阻抗(-R),4-8,振荡电路的负性阻抗(-R),简易检测方法的判断标准 当串上电阻后，振荡电路起振畅顺、振荡幅度合适，可将电阻去掉并放心使用。 在出现以下情况时，请与应达利的技术人员联系: 不起振 需要较长时间才能起振 振荡幅度非常微弱,4-9,驱动功率,石英谐振器是压电器件，AT切谐振器在工作中会因应电讯号而产生微细的机械变形 机械变形的幅度随驱动功率增加 。若驱动功率不受制时，当机械变形大于石英材料弹性能承受时，振子便会破裂损毁。 在设计振荡电路时应控制驱动功率，特别是涉及异步通讯的应用中，尽可能将驱动功率控制在10-100uW之间。,4-10,匹配总结,在板的等效负载越小，频率输出越高，-R越大，并且驱动功率越小，但越小的负载我生产过程比较难控制频率，原因晶体负载小TS大，频率对负载更加敏感。,4-11,感谢各位参加今天的培训,The end,