晶体及晶振相关知识

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晶体介绍

•晶体(crystal)是自然界存在的石英材料，也可以人造石英，目前做晶振的石英基本上都是人造的。其具有的压电效应被人们用其来做频率基准。可以这么说吧，它就是块以特定方式(AT或BT等)切割的水

晶。

•用它作振荡器时，结合具体的振荡电路(如克莱拍，考皮兹等)完成一个完整的振荡电路的功能。那完整的振荡电路就是有源电路，而其中所用的一块晶体就是无源晶体，有人叫无源晶振，那是不准确的。

•如果把完整的带晶体的振荡电路集成在一块，可能再加点其它控制功能集成到一起，封装好，引几个脚出来，这就是你所说的有源晶振。

英文叫Oscillator。而晶体则是Crystal.

•可以说Oscillator是Crystal经过深加工的产品，而crystal是原材料。

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石英晶体的压电效应

•石英晶体的压电效应：对石英晶片施加压力就会产生+、-电荷，反过来，对晶片施加电压就产生晶片的机械形变，称这一现象为晶片的压电效应。加在晶体上的直流电压，加了又断，断了又加，由于相互影响，于是就形成了固有的振荡，而且这一振荡频率不受周围环境的影响极小。

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石英晶体等效

模型

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石英晶体谐振器（晶体）相关术语

•标称频率：晶体技术条件中规定的频率

•工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率

•温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度

（25±2℃）时工作频率的允许偏差•老化率：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•静电容：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示

•负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率fL 的有效外界电容，通常用CL 表示

•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，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。

•动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。用R1表示

•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，RL ＝R1（1+C0/CL）2

•激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值

•基频：在振动模式最低阶次的振动频率

•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

•激励电平的影响：一般来讲，AT切晶体激励电平的增大，其频率变化是正的。激励电平过高会引起非线性效应，导致可能出现寄生振

荡；严重热频漂；过应力频漂及电阻突变。当激励电平过低时则会造成起振阻力不易克服、工作不良及指标的不稳定

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石英晶体振荡器（晶振）

•普通晶振（PXO）：是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品

•温补晶振（TCXO）：是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络。补偿后频率稳定度在10-7~10-6量级，由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积

小、环境适应性较强

•压控晶振（VCXO）：是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。

•恒温晶振（OCXO）：采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。中精度产品频率稳定度为10-7~10-8，高精度产品频率稳定度在10-9量级以上。

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晶体振荡电路设计要点

•控制电阻（Control Resistance）,加入一个控制电阻Rd可以更好的限制晶体的电流和减少IC输出阻抗对振荡电路的影响

•手机设计，一般用到的振荡电路都是基本的振荡模式电路，晶体工作在基频

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晶振生产工

艺

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晶体的

封装

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石英晶体振动模

式

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温度特

性

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晶振频率测量

•需要使用有源探头测量

•输入阻抗>100 Mohm

•输入电容< 0.1 pF

•测量的时候确保晶体未经过加热操作，否则测量不准。

•示波器测量只能测量大概的参考值

•也可以选用频率计测量时钟信号

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研发设计要点

•布局要

远离邮票孔

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晶体失效原因——高温温度冲击造成内部失效

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晶体失效原因——机械振动

•bear a mechanical shock

of 5000g / 0.3ms ，强烈振

动造成内部音叉断裂

•一般来讲，1.5m 高度自由

跌落晶体将会损坏晶体内

部的音叉。

•而在工程上有以下因素可

能造成问题：

•贴片机造成的振动

•分板机造成的振动损坏

•

Ultrasonic Washing and

Welding ，会引起共

振