晶振基础知识

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。
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。
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 。
理论值：3.579545 M
150欧姆
6.0000M 90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（1000°C）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
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10-4~10-11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
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)
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
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。
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/（2π√｛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) 。
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。
(4) 对于32KHZ以上的晶体振荡器，当VDD>4.5V时，建议C1=C2≈30PF。
4.) 功耗：
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。
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
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。