晶体、晶振可靠性应用规范

Jitter
抖动
定义为数字信号边沿的实际位置相对于其理想位置的短期变化。同时抖动和噪声又是一个相关联的概念，所以很多晶振的datasheet的抖动值经常有频率段的限定
Current Consumption
电流消耗
指晶振正常工作时，消耗的电流，
Aging
老化率
老化反应的是晶振长期稳定度，老化主要引起输出频率偏离标称频率，导致PLL失锁。在设计时，应当考虑老化引起的晶振精度的偏移
存储温度
晶体的存储温度，晶体是温度敏感器件，限制存储温度有助于保证晶体的可靠性
Load capacitance
负载电容，CL
负载电容除了CL1、CL2之外，还包括单板的杂散电容
EqurvalentSenesResistance
等效串联电阻
等效串联电阻是R1或者R10
Drive Level
驱动电平
晶体正常工作需要的激励功率
Operating Temperature Range
工作温度范围
晶振能够正常工作的温度，这个温度是指晶振的壳温，，对于普通晶振来讲，因为晶振的功耗很小，壳温和晶体周围温度的相差不大。其他的恒温晶振会略有升高。超出工作温度范围，晶振可能会出现频率偏差超出规格书要求，跳频（振荡输出到其他频率）、停振等。恒温晶振还可能出现短期稳定度严重变坏
Storage Temperature Range
存储温度
晶振的存储温度，晶振是温度敏感器件，限制存储温度有助于保证晶振的可靠性
Frequency Stability Vs Temperature Range
频率-温度稳定度
缓慢变化的环境温度，主要引起输出频率偏离标称频率，频率温度特性不好会造成频率偏差超出系统的容限，导致锁相环的失锁，时序混乱等。对于快速变化的温度温度，特别是温度晶振和恒温晶振，主要引起短期稳定度恶化，造成锁相环相位噪声增加，误码率增加等。在晶振的应用时，应注意晶振的环境温度变化速率，推荐小于0.5℃/分钟。
L1、L10：动态电感，表示谐振器的振动质量，为mH级
对于一般的应用，如果条件允许，建议选用晶体，尤其是产量较大的产品。但无源晶体相对于晶振而言，缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于型号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。总的来说吗，石英晶体精度较高，陶瓷晶体精度较低。
6 (worst case)[kOhm]
C10typ(overtone 200kHz)
700±30%[fF]
L10(overtone 200kHz)
C0:静态电容、是以水晶为介质，两个电极形成的电容，通常为几个pF
C1、C10：动态电容，表示石英谐振器的机械特性，为fF级（10-15）
R1、R10：动态电阻，表示谐振器振动时候的能量消耗，从几十欧到几千欧不等
反馈网络：将通过选频网络的频率信号反馈到放大器输入端，形成一个闭环的正反馈网络
输出网络：被放大的稳定频率信号，通过输出网络的整形和驱动，输出到其他器件。
1.2.2.
按照晶振的应用方式，分为普通晶振、压控晶振、恒温晶振、温补晶振
缩略语
英文全名
中文解释
XO
Crystal Oscillator
普通晶振
VCXO
Temperature Coefficient
温度系数K
单位是ppm/（△℃）2，用来标识频率随温度的变化情况；Operating Temperature Range（工作温度范围）：晶体能够正常工作的温度，这个温度指的是晶体的壳温，对于晶体来讲，因为晶体的功耗很小，壳温和晶体周围温度的相差不大
Storage Temperature Range
晶体负阻振荡器的基本结构主要是由放大网络、选频网络、反馈网络和输出网络组成。
放大网络：具有功率增益的放大网络，在起振时工作在线性区，将噪声信号或输入信号进行放大；一旦振荡已经建立，放大网络进入非线性状态，环路增益下降，达到稳幅和频率稳定的目的；
选频网络：对于放大器输出的各个频率信号进行选择，使选定频点的频率信号输出其他频率信号被抑制；
3.
3.1.
1、对可以选用晶体的应用场合，应优先选用晶体，可以节约成本，减少布局空间，不过要考虑应用场合对晶体的要求（负载、功率等）
2、对晶体的激励不能超出晶体激励功率范围，否则可能会导致晶体停振；
3、应用晶体+IC方式得到需要时钟的电路中，优先选择基频晶体，能更好的保证抖动指标；
4、对于晶体+IC电路中，应尽量减少晶体和PCB间的布线负载，并注意IC内部输入脚的寄生电容，这些电容都会影响晶体的负载电容
该值在25℃左右时测试得到，代表晶体出厂25℃室温，晶体输出频率相对标称频率的偏差
Frequency Stability
频率稳定度△f/f0
振荡频率的稳定性常用频率的准确度和稳定度两个指标来衡量，其中频率准确度是指实际工作频率fosc与标称频率之间的偏差△f，即△f=fosc-f0来表示，频率稳定度是指：在规定的时间间隔内，输出频率相对于初始频率的变化量。特别注意理解频率稳定度和频率准确度的关系，他们是没有关系的，也就是说频率稳定度好不意味着频率准确度好
Shunt Capacitance
静态电容
以水晶为介质，两个电极形成的电容，通常几个pF
Aging
老化率
因老化导致的频率偏差
2.2.
指标
指标名称
指标定义
Nominal Frequency
标称频率
技术条件中所指定的频率，通常也是晶体振荡器铭牌上标识的频率，
Supply Voltage
供电电压
晶振的工作电压，这个电压过低可能导致晶振停振，过高会损坏晶振导致晶振停振
厚度切变型晶体有三种应用：a）2~30Mhz的fundamental模式（基础晶体）；b）30~250Mhz基频晶体，频率在2MHz~30MHz的为standard manufactured fundamental mode;30MHz~250MHz的是high frequency fundamentals/inverted mesa晶体；c）多次谐波的高频晶体，AT切石英晶体一般为3,5,7等奇次谐波。而音叉性晶体，其泛音频率为6次谐波。谐波晶体通常应用在VCXO、TCXO、OCXO等晶振上。Thickness Shear mode晶体的功耗相对于前面两种晶体的功耗要大（500μW）
5、对负载电容有贡献的电容，要求选用高稳定、零温度系数、低老化的NPO材料电容，电容要远离发热元器件，晶体的输出频率由负载电容确定，负载电容的稳定性直接关系到晶体频率的稳定性，因此要求负载电容非常稳定。
6、对于没有特殊要求的电路应用中，低于（包括）27MHz晶振谐振器要求，选用AT切基频晶体，高于27MHz晶体谐振器选用AT切泛音晶体，对于泛音晶体的振荡电路需加谐波抑制电路
Output Logic Level
输出逻辑电平
在晶振的工作温度范围内，正常供电情况下，晶振输出的高电平范围/低电平范围
Phase noise
相位噪声
短期频率稳定度在频域方面可用单边带相位噪声来衡量，单位：dBc/Hz,定义为在离载频一定的频率偏移出1Hz带宽内的边带噪声功率和载频功率之比，对应由于PLL、PSK等系统的晶振必须严格规定频率源的相位噪声
温补晶振：频率准确度介于恒温和普通晶振之间，是一种靠内部温度补偿网络来改善频率温度特性的晶体振荡器。
2.
2.1.
指标
指标名称
具体定义
Nominal Frequency
标称频率f0
晶体的标称频率
Mode of Vibration
振动频率
是基音晶体还是泛音晶体
Frequency Tolerance
初始频率误差△f/f0
晶体等效模型
参数
取值
R1typ/max (fundamental mode)
50Hale Waihona Puke Baidu80 [kOhm]
C1typ(fundamental mode)
2.1±20%[fF]
L1(fundamental mode)
C0typ(for both modes)
1.4±20%[pF]
R10typ(overtone 200kHz)
压控晶振：输出频率随着外加控制电压而改变的晶体振荡器。这种改变通常是将控制电压加到作为石英谐振器负载电容的变容二极管来实现的，频率可以根据压控电压在一定范围内调节，多用于锁相环电路
恒温晶振：将石英谐振器至于恒温器内来改善频率特性的晶体振荡器。通常有单层恒温和双层恒温两种形式。恒温晶振频率变化受温度影响小。其频率准确度高，多用于时钟要求高的系统电路中，如三级时钟板。
长期缓慢的频率漂移，如有老化引起的频率漂移，可以经过系统加以调整，但是短期的相位抖动是不能用系统加以调整的，他直接影响误码率，所以必须要求规定频率源的相位噪声
Transition Times
转换时间
即上升时间/下降时间
实际测试证明，低频抖动远小于全频抖动，在选择芯片主要要求应用芯片要求的抖动是全频段还是低频段，避免选择抖动指标过高的晶振
1.1.2.
按照晶体的振荡实现方式，可以分为三种：Flexure mode、Extension mode和Thickness Shear mode。
Flexure mode：曲变振动型晶体，通常的音叉晶体就是这类晶体。通过调整晶体的弯曲度来调整晶体的输出频率，这类晶体有两种应用：a）小于200kHz的基频模式应用；b）200~560kHz的谐振应用。这类晶体的功耗都很小（1μW左右），但温度性能较差，主要用于电源存储或者睡眠晶体、RTC低功率晶体要求场合。
Voltage ControlledCrystal Oscillator
压控晶振
TCXO
Temperature CompensatedCrystal Oscillator
温补晶振
OCXO
Oven ControlledCrystal Oscillator
恒温晶振
普通晶振：内部基本结构为晶体+IC，可以直接提供信号，是一种没有任何补偿的晶体振荡器，其频率温度特性主要取决于所采用的石英谐振器。
用于基频振动的晶体称为基音晶体，用于泛音振动的晶体称为泛音晶体，从等效电子模型来看，泛音晶体和普通晶体的不同之处在于，两种电路中除了C0以外阻、容、感参数值都不同。为了方便讲述，两种晶体采用不同的表示方式，泛音晶振等效电路为C0+C10+L10+R10，而普通晶体的等效电路为C0+C1+L1+R1。
三种模式的晶体谐振器
1.1.3.
常见的晶体封装形式见下表
HC49U/S
HC49U
HC49U/SMD
UM1
UM5
SMD
圆柱晶体
1.2.
1.2.1.
晶体振荡器（简称晶振）的基本功能就是把直流电能转变具有一定频率、一定幅度和频率高度稳定的交流电能。
振荡器的种类很多，从振荡电路中有源器件的特性和形成的振荡的原理来看，可以把振荡器分为反馈型和负阻性两大类。前者是振荡回路通过正反馈网络和有源器件连接成的振荡电路；后者是把一个呈现负阻特性的两端有源器件直接与谐振电路连接构成的振荡电路。下面主要介绍负阻型晶振器件的可靠应用。
Pull Range
频率牵引范围
规定牵引范围时，应当考虑输出容限，频率稳定度、老化等各种引起频率漂移的因素，并使牵引范围能够覆盖这些总的变化范围，推荐使用绝对牵引范围（Absolute Pull Range，APR），定义为总的牵引范围与晶振总稳定度之差。
牵引范围过大或者过小都可能造成应用的不可靠，比如在同步技术PLL应用中，如果牵引范围过小，刚工作时，PLL可能能够跟着输入信号，，在工作一段时间后，由于老化，电源电压的变化，温度变化等引起频率的偏移，实际可用的牵引范围就变窄，导致不能跟踪输入信号，如果牵引范围过大，晶振的频率稳定度就变差，压控线性度变差
晶体、晶振可靠性应用规范
1.
1.1.
1.1.1.
晶体谐振器、简称晶体：它是晶体经过弯曲、切割或者其他的处理，并安装底座和外壳，形成我们晶体看到的晶体器件。
晶体是由等效电容、电阻、电感组做的振荡电路。晶体是无缘器件，它没有电压问题，信号电平是可变的，即由起振电路决定的，所以同样的晶体可以适用于多种电压。
Extension mode：伸缩振动晶体，主要用于569~2100kHz，温度性能较Flexure mode要好，较Thickness Shear mode差。
Thickness Shear mode：厚度切变形振动型晶体。这类晶体通过不同厚度和切的角度控制晶体的频率、通常的切型包括：AT切、BT切、SC切等。AT切石英晶体，因具有零温度系数点，且零温度系数点大致落在大气环境温度范围内，具有好的温度特性而被广泛应用。