晶振知识讲座

Three- and Four-point Mount Package
Quartz blank
Cover
Seal
Pins
Electrodes
Bonding area
Mounting clips
Base
Quartz blank Bonding area Cover
Mounting clips
Seal Base
它是采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点上的晶体振荡器。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。它主要用作频率 源或标准信号。
2020/6/27
不同晶体振荡器的温度曲线
Voltage Tune
Outห้องสมุดไป่ตู้ut
-450C
f f +10 ppm
Pins
Top view of cover
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等效电路
Spring
C
Mass
L
Dashpot
R
缓冲
2020/6/27
石英晶体振荡模式、切角、频率范围、厚度或长度 及曲率系数
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石英晶体谐振器等效电路
Symbol for crystal unit
CL
C0
C1
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-60o
-90o 0o
FC IT
LC
SC
SBTC
10o
20o
30o
The AT, FC, IT, SC, BT, and SBTC-cuts 是零温度 系数切型中的几种。 LC 是用于石英温度计的一种
y 线性温度系数切型
Y-cut: +90 ppm/0C (厚度切割模式)
xl
X-cut: -20 ppm/0C
点胶
检查
清洗
测试 成品
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封口
频率 检查
微调
烘焙
最终 清洗
用X-ray 测晶片方向
Shielding
Monochromator crystal
检测器
S
Copper target X-ray source
X-ray 柱
被测晶片 测角器
Double-crystal x-ray diffraction（衍射 ）system
•SC-cut的劣势 : 制造恒温晶振（OCXO）的难度大 (它比 AT-cut 制成 精确的温补晶振 （TCXO） 而言更易制成微机补偿晶振（MCXO） ）
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石英晶体谐振器的构造
Two-point Mount Package
• 石英的主要成份为二氧化硅，虽然地壳表 面有14%是由二氧化硅所组成，但相对可使 用的部份却较稀少，主要是因为满足不了 需要的纯度要求以它本身存在缺陷与瑕疵 。
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石英是什么
石英是拥有以下特性的唯一材料： • 具有压电效应 • 存在零温度系数的切型 • 存在压力补偿的切型 • 低损耗（高Q） • 容易加工；在正常条件下，除了氟化物腐蚀剂，对所有物质存 在低溶性；硬而不脆。 • 自然界含量丰富；易于低成本大量生长，生成晶体有比较高的 纯度。
因此: 在 1 cm3 的空间内吸附的污染物质是在10-7托的真空
度内所含气态微粒的106 倍。这些吸附物质将会导致老 化、滞后、噪音等现象。
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3、石英晶体振荡器
内含IC，外加电压就可以振荡
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石英晶体振荡器内部结构
调整电压
晶体谐振器
放大器
输出频率
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250C
+1000C
T
• Crystal Oscillator (XO)
Temperature Sensor
Compensation Network or Computer
-450C
-10 ppm
f f
+1 ppm
XO
• Temperature Compensated (TCXO)
Oven
Oven control
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石英的压电效应
FIELD along:
Z
STRAIN
X
Y
Z
X
EXTENSIONAL along:
Y
X
Z
X
SHEAR
Y
Y
about:
Z
石英晶体六角锥体两顶点的连线称为Z轴，又称光轴；在Z轴垂直的横截面上， 六角形的三条对角线称为X轴，又称电轴；与X轴垂直的三条线称为Y轴，又称机 械轴。若在电轴或机械轴方向对石英片施加外力使其形变 ，则垂直与该轴的方向
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污染控制
在制造过程中，污染必须得到控制，否则会带来以下不良后果：
● 稳定性 - 老化 - 滞后 - 噪音 - 非线性和阻抗异常 - 频率突变
● 生产制造 ● 可靠性
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晶片周围污染
晶片周围环境和封装过程对谐振器的稳定性有重要影 响。 • 单层能吸附的污染物质在~ 1015 微粒/cm2 之内(光滑 表面) • 10-7托的真空度可含 ~109 气态微粒/cm3
上会产生符号相反、数值相等的电荷。
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压电效应
Y
_ +
_ +
_
_ +
+
+
+ _
_ +
+ _
_ +
_
_
_ +
_ +
+X
_ +
_ +
_
_ + _
+
+
_
_ +
+
_ +
_ +
Y
_ +
_ +
_
_ +
+
_
_
+
+
_ +
_ +
_ +
_
+
_
•
+
•
+
_
+X
_ +
_ +
_ +
_
_
+
+
_
_ +
+
_ +
_ +
(延长模式)
AT-cut频率温度特性与切割角度的关系
f f (ppm)
25
AT-cut Z
35¼ o
49o BT-cut
20
R
r
8’
m
R
15
7’
R
m
Y
r
R -1’
10
6’
5’ 5
0’
Z
Y-bar quartz
1’
4’
2’
0
3’
3’
-5
2’
4’
-10
1’
5’
-15
0’
= 35o 20’ + , = 0
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石英晶体的泛音响应
jX
0
-jX
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Spurious responses
Spurious responses
Spurious responses
Frequency
基频
3rd 泛音
5th 泛音
石英温度系数切割角度
z
x
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90o 60o 30o AT
0
-30o BT
恒温/压控晶体振荡器
• MCXO………Microcomputer Compensated Crystal Oscillator
微机补偿晶体振荡器
• RbXO……….Rubidium-Crystal Oscillator铷晶体振荡器
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晶体振荡器的种类
根据晶体的温度频率特性，将晶体分为三类：
• TCXO………Temperature Compensated Crystal Oscillator
温度补偿晶体振荡器
• TCVCXO..…Temperature Compensated/Voltage Controlled
Crystal Oscillator温度补偿/压控晶体振荡器
• OCVCXO.….Oven Controlled/Voltage Controlled Crystal Oscillator
• XO, crystal oscillator, 不含温度频率特性.
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。
• TCXO, temperature compensated crystal oscillator, 温度补偿型.
SC 2020/6/27
石英晶体谐振器阻抗频率特性
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Reactance
+
振荡器通常工作区
谐振, fr
0
反共振, fa Frequency
-
1 2 fC 0
晶体谐振器制作工艺
设计
石英 生长
清洗
切割
叠片
车圆
厚度 分类
清洗
蚀刻 (化学试剂)
倒角
角度 确认
X射线 测角度
电镀
支架 准备
安放
ω
L1
1
ω C1
R1
τ1R 1C 110 1s 4
d 360Q
df π fs
C1n
r'C11 n3
L1n
n3L11 r'3
R1n
n3R11 r'
2r
π
n
2
2k
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参数解释
n: 泛音次数
C0: 静态电容
C1: 动态电容
C1n: C1 of n-th 泛音
L1: 动态电感
L1n: L1 of n-th 泛音
它是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿措施，以达到在宽温度范围内满足 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107~10-6量级。由于其具有良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应 性较强等多方面优点，因而获行了广泛应用。
• OCXO, oven controlled crystal oscillator, 恒温控制型.
CL
L1
R1
{ 1. Voltage control (VCXO) 2. Temperature compensation (TCXO)
石英晶体谐振器等效电路
fs
1
2π
1 L1C1
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等效电路参数间关系
C0
ε
A t
r C0 C1
fs
1
2π
1 L1C1
fa
fs
fs 2r
Q 1 2πfSR1C1
振荡
• 在某一振荡的频率下其闭环相移 = 2n.
• 当有激励时，最初仅产生噪声信号。噪声中只
有那些频率满足振荡相位条件的，才能形成振荡且 幅度增加。 幅度增加的比例取决于外部条件，如 激励信号、闭环增益、晶体所在网络的带宽等。
• 幅度一直增加，直到因元件的非线性或自动增
益控制引起的增益下降为止。
• 在稳定状态下闭环增益 = 1。
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晶体振荡器缩写
• XO…………..Crystal Oscillator晶体振荡器
• VCXO………Voltage Controlled Crystal Oscillator压控晶体振荡器
• OCXO………Oven Controlled Crystal Oscillator恒温晶体振荡器
R1: 动态电阻
R1n: R1 of n-th 泛音
: 石英介电常数40 x 10-13 pF/mm (average)
A: 电极面积
t: 白片厚度
r: 电容比
r’: f1/fn
fs: 串联谐振频率 fR fa: 并联共振频率
Q： 品质因数
1: 时间常数
: 角频率 = 2f
: 阻抗相位角
k： 压电耦合因数=8.8% for AT-cut, 4.99% for
无形变
形变
压电效应能使压电晶体的机械特性和电路信号之间相互转化 。石英在 电场的作用下，有五种机械变化。下页显示的变化模式可以在合适的 电极位置和形状下产生。常用Y-切系列，包括AT、BT和ST切。
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Modes of Motion
弯曲模式
延长模式
对角拉伸模式
厚度切割模式 基频厚度切割模式 三次泛音厚度切割模式
晶振教程
2020/6/27
SSEEC FA研发中心 SY
.
目录
1. 石英晶体………………………...……………………
3
2. 石英晶体谐振器…………………….……………….
13
3. 石英晶体振荡器……………………………………..
28
4. 振荡器的稳定性……………………………………..
36
5. 我司实际使用的晶振相关介绍……………...……..
-1’
for 5th overtone AT-cut
6’
-20
= 35o 12.5’+ , = 0 for fundamental mode plano-plano AT-cut
7’
-25
8’
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
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6. 石英晶体谐振器选用的注意事项……..…...………
64
7. 石英晶体谐振器在使用过程中的一些注意事项….
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1、石英晶体
2020/6/27
石英是什么
• 石英是一种压电材料，在自然界中是一种 透明的结晶物 ，它有非常稳定的压电效应 ，其化学与机械上的特性在早期的电子实 验中就引起了极大的关注。
Temperature (oC)
2020/6/27
SC and AT-cuts的比较
•SC-cut 的优势 • 瞬时温度补偿---能适应快速温度变化 • 能做成高稳定的OCXO and MCXO---静态和动态频率温度特性好 • 稳定性高 • 驱动电平低 • 平面压力补偿---边缘压力和弯曲引起的f 较小 • 对辐射的敏感度低 • 较高的电容比 ---振荡器阻抗变化引起的 f 较小 • 电极形状的敏感度低
XO Temperature
-450C
f f
Sensor
• Oven Controlled (OCXO)
-1 ppm
+1 x 10-8 -1 x 10-8
+1000C
T
+1000C
T
2020/6/27
晶体振荡器频率温度补偿特性