SRe石英晶体振汤器介绍-Y100520

石英晶體振盪器介紹
Prepared by :Alan Yang
Index
1)石英晶片(Quartz)振盪原理
2)Crystal & Oscillator 種類與構造
3)基本波與倍頻(Fundamental & 3rd Overtone)
4)Crystal / Oscillator 種類與應用
5)Crystal & Oscillator 參數解析
6)振盪迴路搭配分析
7)Q & A
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1) 石英晶片(Quartz)振盪原理
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Crystallized quartz
material •石英是由矽原子和氧原子組合而成的二氧化矽（Silicon Dioxide, SiO2），以六角柱形式的單結晶結構存在。

(如附圖)
•由於石英本身具有壓電效應特性，石英晶體振盪器就是利用此特性製成。

•運用壓電效應可使石英產生振盪，廣泛的運用在電腦、手機等通訊產品及時鐘等等產品上。

石英晶體
•正壓電效應
•當機械應力加入於一壓電材料時，材料的兩端會伴隨著產生一個與應力大小成比例的電荷(或電壓) ; 當應力方向相反時，電荷的極性(亦即壓電的極性)也隨之逆反。

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•逆壓電效應
•當一電位加在晶片表面時, 它就會產生變形或振動現象，掌握這種振動現象，並控制其發生頻率的快慢，以及精確程度，就是水晶震盪器的設計與應用原理。

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石英的切割角度
•根據不同的應用及工作溫度需求，搭配不同的石英切割角度種類。

例如AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等
Cutting Method & Angle
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•不同的石英切割角度種類，將得到不同的溫度曲線。

•目前最常用的為AT 切割。

(下圖圈選為AT 切割溫度特性)
Cutting method & angle V.S. Temp. characteristics
•AT切割其頻率對溫度變化為一元三次方曲線(如圖)，在相當寬廣的溫度範圍下, 其頻率對正、負溫度的變化最為對稱。

AT cut Frequency V.S. Temperature
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Page.10•
經由不同的石英切割方式，石英晶片展現了各種不同的振動模態。

•下圖為一般常見的振動模態，在實際應用中，石英晶片並不一定祇有單一種振動
模態，而有可能存在多種模態於同一石英晶片中；良好的設計，可以壓制其他不希望產生的振動模態(unwanted mode)，來達到主要振動模態的最佳化。

石英的切割角度與振動模態
厚度剪切模態
thickness shear mode AT / BT 伸縮模態extension mode +5°
X / -18.5°
X 面剪切模態face shear mode DT / CT / SL 彎曲模態flexure mode
XY / NT
振盪摸態與石英切割方式
2) Crystal & Oscillator 種類與構造
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•依產品應用區分為Crystal 與Oscillator兩大類English Japanese Chinese
Crystal
(X’tal)
水晶振動子晶振
Oscillator (CXO)水晶發振器鐘振
Taiwan
石英晶體
石英振盪器
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•依產品使用焊接方式區分為SMD 與Dip 兩大類
1) SMD Type
(Surface Mount Device 表面黏著元件
)
2) Dip Type
(Dual in-line package 雙內線包裝
)
•SMD Type依其焊封型態又分為Seam 與Glass兩種型式
1) SEAM Type2) Glass Type
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Crystal 結構(Dip Type)
1. BASE (基座)
2. SUPPORT (支架)
3. BLANK 水晶片
4. 電極
5. 導電性接著劑
6. CAN (封蓋)
1
2
6
3
4
5
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Crystal 結構
(SMD Type)
S a R o n i x -e C
E R A 40.000■08
23A
Solder pads
Electrode
Lid
Ceramic Base
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CXO 結構
(SMD Type)
S a R o n
i x -e C
E R A
125M 000
■0823
A
Solder pads
Electrode
Lid
Quartz Blank
Ceramic Base
IC
SRe Crystal / Oscillator 產品線
SRe SMD石英元件產品線–
•Glass Crystal (X’tal)
•Seam Crystal (X’tal)
•Seam Oscillator (CXO)
•Seam Voltage Controlled Oscillator (VCXO)
•High Precision CXO
•LVPECL/LVDS/HCSL
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3) 基本波與倍頻
Fundamental & 3rd Overtone
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Crystal 的等效迴路•Crystal’s Equivalent Circuit：
•Crystal Symbol
R1L1C1
C0
•R1：Series Resistance 等效串列電阻(Equivalent series resistance)
•L1：Motional Inductance 等效串列電感(Equivalent series inductance)•C1：Motional Capacitance 等效串列電容(Equivalent series capacitance)•C0：Shunt Capacitance (並列靜態電容)
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•3rd Overtone 石英晶片的形成及特性:
當外加功率於石英晶片上產生逆壓電效應，即會形成
Fundamental ，3rd Overtone…等奇數次諧振頻率，如下圖示:
石英晶片厚度越厚(低頻率)越難振盪，倍頻越多越難振盪。

基頻基頻(Fund)(Fund)(Fund)與三倍頻與三倍頻與三倍頻(3rd Overtone)(3rd Overtone)
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•厚度振盪模態在石英晶體共振時，除了基本波頻率振盪之外，會
同時存在倍頻共振於石英晶體的電極區域之間。

石英基本波與倍頻振盪
Quartz blank
Electrode 180 °Fundamental 3rd Overtone
5rd Overtone
Crystal resonator
Electrode 0°
/ 360°
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•
Fundamental Mode-因為以厚度-剪變振盪石英晶片，所以基本波阻抗會較好。

•
3rd Overtone 在倍頻時以厚度-剪變+輪廓+屈曲振盪石英晶片，所以阻抗會較差。

•
3rd Overtone 通常為石英晶片加工難以達到的高頻率使用(晶片越薄，頻率越高)。

•低頻率本身阻抗即較中、高頻率阻抗高，振盪3rd Overtone 後阻抗會更難達到要求，通常3rd Overtone 阻抗會是同頻率Fundamental 的2~4
倍。

基頻基頻(Fund)(Fund)(Fund)與三倍頻與三倍頻與三倍頻(3rd Overtone)(3rd Overtone)
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• A Standard Oscillation circuit ：Fundamental
基頻(Fund)振盪迴路
•Rf : Feedback Resistance •Rd : Damping Resistance •Cg, Cd : External Capacitance (Gate, Drain capacitor)•CL value is consisted of CL= [(Cd x Cg) / (Cd + Cg)] + Cs (pF)Rf
Rd
Cg Cd
X’tal Inverter Fundamental mode ‧Cs ：Stray Capacitance 一般2~6pF
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• A Standard Oscillation circuit ：3rd Overtone •通常諧振頻率所讀取的會是信號最強
的fundamental ，若要讀取3rd
Overtone 的信號則在振盪迴路中需多
加一組電容及電感以做高通濾波，將
主信號(fundamental)衰減，如附圖：
Rf Rd Cg Cd X’tal Inverter
C
L
•The table below shows the match values of L, C for 3rd overtone mode by various frequency:
3rd Overtone C,L 不同頻段參考值
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•三倍頻線路設計
和基本波的線路設計大致相同，但回饋電阻( Feedback resistor) 一般會較小。

由電阻產生的感應通道(Inductive admittance)會大於基本波。

負載電容所產生的感應通道，因此壓抑了基本波的振盪。

•fundamental 及3rd Overtone 如何選擇 一般頻率的應用範圍:
＊基本波應用範圍: 40MHz 以下
＊三倍頻應用範圍: 因考量石英晶片機械加工的困難度通常40MHz 以上使用。

以上為一般準則，但在小size 及特殊要求情況，也有製作基本波40MHz 以上的頻點。

基頻基頻(Fund)(Fund)(Fund)與三倍頻與三倍頻與三倍頻(3rd Overtone)(3rd Overtone)
4) Crystal / Oscillator 種類與應用
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Crystal / Oscillator應用
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Page.30Crystal / Oscillator 主要應用區分
•時脈/計時功能(如:Timing,Reset…)•
資料傳輸(如:USB,硬碟存取,讀卡機…)•頻率源(如:手機傳輸,藍芽傳輸
,GPS…)
Crystal 與Oscillator主要搭配應用 主要搭配應用
行動電話
數位相機 無線網卡 路由器
振盪線路
隨身碟
筆記型電腦
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Crystal 與Oscillator應用上的差異 應用上的差異 • Crystal 與 Oscillator產品應用功能上的不同
IC
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Crystal 與Oscillator應用上的差異 應用上的差異 • Crystal 必須接上適合的振盪電路才會振盪
優點：價格低。

體積小。

設計彈性大。

缺點：震盪受外界零件影響較大。

EMC對策: 金屬外殼接地。

接線要短、四周要有地作 屏蔽。

• Oscillator 上電即可振盪，再搭配應用電路
優點：無需震盪電路。

內建振盪電路，且有金屬殼接 地，振盪較穩定、較不受外界電路影響。

缺點：價格高。

體積較同尺寸Crystal大(或厚)。

受限 於現有規格產品。

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Crystal 與Oscillator應用上的差異 應用上的差異 • 一般X’tal 線路搭配應用
為配合IC 設計而選用X’tal 產品進行線路設計
IC With OSC circuit
Out
Rf Rd
Cg
X’tal
Cd
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Crystal 與Oscillator應用上的差異 應用上的差異 • 一般CXO 線路搭配應用
當IC內部無Inverter及Buffer等必備元件設計時，則需 選用CXO產品。

(依IC建議)
Clock OUT
IC Without OSC circuit
CXO
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Oscillator種類 種類
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Oscillator種類 種類
• Simple Packaged Crystal Oscillator應用狀態
SRe Product Type: FN / FD / FK / FJ(-40℃ ~85℃ overall FT:+/-25ppm) (-20℃ ~70℃ overall FT:+/-20ppm)
VDD Inverter Buffer Out
Rf Rd
Cg
X’tal
Cd
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Oscillator種類 種類
• Voltage Controlled Crystal Oscillator應用狀態
利用變容二極體來搭到壓控頻率的目的 SRe Product Type: YN / YD / YK / YJ (-40℃~85℃ overall FT:+/-25ppm) VC:+/-100ppm (-20℃~70℃ overall FT:+/-20ppm)
VDD Inverter Buffer Out
High pull
Rf Rd
Low pull
VC
Cg
X’tal
Cd
Varactor diode
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Oscillator種類 種類
• Voltage Controlled Crystal Oscillator應用狀態
調整VC電壓來改變頻率輸出 25℃
以28Mhz3.3V產品來看當 VC電壓在中心1.65V，其頻 偏也是在中心。

Low pull
High pull
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Oscillator種類 種類
• Programmable Crystal Oscillator應用狀態
利用鎖相迴路做乘、除頻及頻率集中後進行燒錄 目前PCXO除了可提高常溫頻偏集中度外，搭配不同IC還可做乘/除頻及 溫度補償等功能。

SRe Product Type: TN / TD / TK / TJ (-40℃ ~85℃ overall FT:+/-20ppm) (-20℃ ~70℃ overall FT:+/-15ppm)
VDD Inverter
Phase loop lock PLL
Buffer Out
EPROM
Rf Rd
Cg
X’tal
Cd
將產品常溫 25℃集中度縮 嚴至+/-5ppm
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Oscillator種類 種類
• Temperature Compensated Crystal Oscillator應用狀態
頻率補償電路會將溫度變化時頻偏做補償，搭到+/-2ppm的頻偏誤差。

(-40℃ ~85℃ overall FT:+/-0.5~2.5ppm)
VDD Inverter Buffer Out
Rf Rd
Temperature sensor Freq compensation circuitry
Cg
X’tal
Cd
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Oscillator種類 種類
• Oven Controlled Crystal Oscillator應用狀態
以oven來控制CXO工作環境溫度，使其固定在同一溫度點下工作，搭到 頻偏控制。

(-40℃ ~85℃ overall FT:+/-0.5~0.0025ppm)
VDD Inverter Buffer Out
外部溫度變化時，Oven內會 保持恆溫以控制頻偏變化。

Rf Rd
Temperature sensor Oven control
Cg
X’tal
Cd
Oven
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5) Crystal / Oscillator 參數解析
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Crystal 產品規格及參數說明
振盪頻率 振盪模式 負載電容值 頻率誤差值 頻率精度 工作溫度範圍 驅動位準 等效串列阻抗 並列靜態電容 年老化率 儲存溫度範圍
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Crystal 產品規格及參數說明
• Crystal Single measured system 2)250B&250C
Test Equipment： 1) S&A 350A
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Crystal 產品規格及參數說明 Crystal Test Item (Normal test item)
• • • • • • • • • FL (Load resonant frequency) :有負載電容情況下的負載諧振頻率 C0 (Static Capacitance) :並聯電容(靜態電容) C1 (Motional Capacitance) : 串聯電容(動態電容) RR (Resonant Resistance) :等效阻抗,在共振迴路裡,晶體的阻抗 FLD2 (MaxFR-MinFR) :在不同驅動功率下,最大頻率變化 - 最小頻率變化 DLD2 (MaxR-MinR) :在不同驅動功率下,最大阻抗變化 - 最小阻抗變化 RLD2 (MaxR) :量測超過設定功率範圍的最大阻抗值 TS (Trim sensitivity) :負載電容每變化1pF時FL的變化量(單位:ppm/pF) SPDB (Difference in dB Between Amplitude of FR and Highest Spur) :主振波與
非期望的諧振波之差(副波)
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Crystal 產品規格及參數說明 Crystal Test Item (Equations) • FL (Load resonant frequency) ‧ RR (Resonant Resistance)
FL =FR (1+ C1 ) (C0 + CL) R1 = ( 2π * FR * L1 Q )
• C0 (Static Capacitance)
介電系數 C0= 0.044*電極面積(mm^2) 晶片厚度(mm) + C’(離散電容) 來自於BASE,COVER
N為倍波,如 基本波時,N=1 三倍波時,N=3 五倍波時,N=5
• C1 (Motional Capacitance)
C1= 電極面積(mm^2)*頻率(MHz)*0.01*1000 2.55*(π ^3)*(N^3)
• TS (Trim sensitivity)
TS = C1 2*(C0+CL)2
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Crystal 產品規格及參數說明 Crystal Test Item (Equations)
• FLD2 (MaxFR-MinFR) • DLD2 (MaxR-MinR) FL(ppm) Max • RLD2 (MaxR) R(Ω )
Min PWR(小 主波 副波 大)
• SPDB (Difference in dB Between Amplitude of FR and Highest Spur)
Spdb主波與副波 差值
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Oscillator 產品規格及參數說明
振盪頻率 頻率誤差值 工作溫度範圍 工作電壓 輸出模式 消耗電流 波形對稱性 上升/下降時間 輪出電壓(Low) 輸出電壓(High) 輸出驅動能力(Loading) 儲存溫度範圍
**Stability includes all combinations of Operating Temperature, Load changes, rated Input (Supply) Voltage changes, Initial Calibration Tolerance (25°C), Aging (1 year at 25°C Average Effective Ambient Temperature), Shock and Vibration. ° °
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Oscillator 產品規格及參數說明
• Oscillator Single measured system
Test Equipment： 1) S&A 280A -Oscillator量測系統(1kHz~400MHz)
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