晶振基础知识

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,晶振,1.,概述,2.,晶振的基本原理,3.,晶振的主要参数,4.,晶振的应用,5.,晶振的工艺,6.,晶振的制程控制,7.,晶振的测试方法,8.,石英晶体振荡器的发展趋势,9.,晶振的失效模式及案例分析,1.,概述,振荡器是一种能量转换器，石英谐振器是利用石英晶体谐振器决定工作频率，与,LC,谐振回路相比，它具有很高的标准性和极高的品质因数，具有较高的频率稳定度，采用高精度和稳频措施后，石英晶体振荡器可以达到,10-410-11,稳定度。,基本性能主要是起振荡作用，可利用其对某频率具有的响应作用，用来滤波、选频网络等，石英谐振器相当于,RLC,振荡电路。,石英晶体俗称水晶，是一种化学成分为二氧化硅（,SiO2,）的六角锥形结晶体，比较坚硬。它有三个相互垂直的轴，且各向异性：纵向,Z,轴称为光轴，经过六棱柱棱线并垂直于,Z,轴的,X,轴称为电轴，与,X,轴和,Z,轴同时垂直的,Y,轴（垂直于棱面）称为机械轴,2.,晶振的基本原理,2.1.,晶振的原理,石英晶体之所以可以作为谐振器，是由于它具有正（机械能电能）、反（电能机械能）压电效应。沿石英晶片的电轴或机械轴施加压力，则在晶片的电轴两面三刀个表面产生正、负电荷，呈现出电压，其大小与所加力产生的形变成正比；若施加张力，则产生反向电压，这种现象称为正电效应。当沿石英晶片的电轴方向加电场，则晶片在电轴和机械轴方向将延伸或压缩，发生形变，这种现象称为反压电效应。因此，在晶体两面三刀端加上交流电压时，晶片会随电压的变化产生机械振动，机械振动又会在晶片内表面产生交变电荷。由于晶体是有弹性的固体，对于某一振动方式，有一个固有的机械谐振频率。当外加交流电压等于晶片的固有机械谐振频率时，晶片的机械振动幅度最大，流过晶片的电流最大，产生了共振现象。石英晶片的共振具有多谐性，即除可以基频共振外，还可以谐频共振，通常把利用晶片的基频共振的谐振器，利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器，一般能利用的是,3,、,5,、,7,之类的奇次泛音。晶片的振动频率与厚度成反比，工作频率越高，要求晶片越薄（尺寸越大，频率越低），这样的晶片其机械强度就越差，加工越困难，而且容易振碎，因此在工作频率较高时常采用泛音晶体。一般地，在工作频率小于,20MHZ,时采用基频晶体，在工作频率大于,20MHZ,时采用泛音晶体。,2.2,晶振的结构,结构,晶片：石英（,sio2,）六角晶系各向异性：弹性常数、介电常数、压电常数、热膨胀系数,电极：银,支架,外壳,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。,原理：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。,3.,晶体的主要参数,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,、,1MHz,40.50 MHz,等，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至，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。,晶振不振荡时，可以看成是一平板电容器,C0,，他和晶体的几何尺寸和电极面积有关，值在几,PF,到几十,PF,之间。晶振的机械振动的惯性使用电感,L,来等效，一般为,10,3,102H,之间，晶片的弹性以电容,C1,来等效，,L,、,C,的具体数值与切割方式，晶片和电极的尺寸，形状等有关。,标称频率（,FL,），负载电容（,CL,）、频率精度、频率稳定度等,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,Fs,：晶体本身固有的频率，和晶体的切割方式、晶体厚度、晶体电极的等效厚度,F,2560/t(BT)F=1670/t(AT),标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常,FL,：晶体加外部电容的整体频率,FL=1/,（,2,L1C1(C0+C)/(C1+C0+C),）,FL,介于,FS,和,FP,之间：,微调工序：根据用户要求的,CL,使,FL,30ppm,内,(,在电极上继续镀银，减小频率,),。,在并联共振线路中的振荡频率，有,99.5,的频率决定在晶体，外部的组件约只占,0.5,，所以外部组件,C1,、,C2,和布线主要在决定于启动与可信赖程度。典型的初始误差为,1,，温度变化（,-30,到,100,度）为,0.005,，组件老化约为,0.005,CL:,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。如果负载电容太大，振荡器就会因为在工作频率的回授增益太低而不会启动，这是因为负载电容阻抗的关系，大的负载电容会产生较长的启动稳定时间。但是若负载电容太小，会出现不是不起振（因为整个回路相位偏移不够）就是振在第,3,、,5,、,7,泛音（,overtone,）频率。电容的误差是需要考量的，一般而言陶瓷电容的误差在,10,，可以满足一般应用需要。所以若要有一个可靠且快速起振的振荡器，在没有导致工作在泛音频率下，负载电容应越小越好。,Crystal,常用,CL SPEC,：,8pF,、,10 pF 12 pF 16 pF 18 pF 20 pF 30 pF 32Pf,Rr,：串联阻抗，较低的串联阻抗会有较好的表现，但是需要的成本较高；较高的串联阻抗会导致能量的损耗和较长的启动时间，但是可以降低,C1,，,C2,来补偿。这个值的范围大概在,1MHz 200,奥姆到,20MHz 15,奥姆左右。,阻抗小，损耗小，,Q,值高（与频率有关）理想值：,Rr,0,理论值：,3.579545 M 150,欧姆,6.0000M90,欧姆,12.0000M 60,欧姆,16.0000M,以上,40,欧姆,他与原材水晶（人工培育，高温（,1000C,）高压下培育，可能含有铁杂质），辅材（,SIC,金刚砂，有的使用钻石），加工工艺：无尘室管理，内外压差）有关系。,RL=Rr,（,C1(C0+C)/C1+C0+C,）,/L,Z0=L/RC Q=w0L/R,Z=Z0/1+jQ,（,1,w02/w,）,温度稳定性：,切角：,通常使用到的是,AT,切（,35,15,）和,BT,切（,49,），他们的温度特性如图：,AT,切的温度频率关系函数：,(f,f0)/f0=a0(T,T0),b0(T,T0)2,c0(T,T0)3,式中，,T,为任意温度，,T0,参照温度，,f0,为参照温度时的频率，,a0,、,b0,、,c0,为参照温度时的频率温度系数。,4.,晶振的应用,并联电路：,(a),串联共振振荡器,(b),并联共振振荡器,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),：晶振驱动电阻,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。应该试用电容将他的振荡频率调到,IC,所需要的频率，越准确越好，,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,VDD4.5V,时，建议,C1=C230PF,。,R,为晶体内部的电阻,C,为晶体内部的两电容值相加,C=C1+C0,若电阻为,40,奥姆，电容为,20pF,，则在工作频率在,16MHz,时，所消耗的功率为,2mW,。,4.),功耗：,5,、关键工艺,主要工艺流程为：晶体选择切割,粗磨,测角,改圆,研磨,腐蚀清洗,镀膜,装架点胶,微调,封焊,印字,老化,成检,浸锡,抽检,切校脚,包装入库,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,),如图所示,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,.,圆形 方形,SMT,专用,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