石英晶体谐振器原理及应用

石英晶体谐振器知识

浙江东晶电子股份有限公司

一、晶振的定义,分类及应用

1、概念：

石英晶体谐振器又称为石英晶体,俗称晶振，主要材料是水晶，成分SiO2，它不仅是较好的光学材料，而且是重要的压电材料。晶体的主要特征是其原子或分子有规律排列，反映在宏观上是外形的对称性。人造水晶在高温高压下结晶而成。在电场的作用下，晶体内部产生应力而形变，从而产生机械振动，获得特定的频率。我们利用它的这种逆压电效应特性来制造石英晶体谐振器。是利用制成的谐振元件与半导体器件和阻容元件一起使用,便可构成石英晶体振荡器.

等效电路：石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动。实际上，石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。(见图1)

2、分类：

石英晶体谐振器：DIP系列：HC-49U/S、 HC-49S/SMD；

SMD系列：XG-8045、XG-5032、XS-7050、XS-6035、XS-5032、

XS-3225、XS-2520、XS-2016。

石英晶体振荡器：OS-7050、OS-5032、OS-3225

3．应用：

广泛应用于彩电、DVD、微机、显示器、手机、无绳电话、数码相机、汽车等电子设备，提供系统振荡脉冲,稳定频率,选择频率.

二、晶振的构造,原理及发展趋势

1、基本构造

图2：HC-49S/SMD 图3：HC-49U/S

1 Metal Cap Ni Alloy

2 Substrate Fe Alloy

3 Extemal Electrode kovar (Pb Free)

4 Element Ceramic

5 Element PZT

6 Intemal Electrode Ag

7 Conductive Adhesive Ag+Epoxy Resin

8 Insulating

Resin

Adhesive Epoxy

2、工作原理

压电效应：对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移产生极化，

从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷，在一定应力范围内，机械力与电荷呈

线性可逆关系，这种现象称为压电效应。

3、发展趋势

小型化、微型化、片式化

三、晶振制程介绍：（图4）

四、晶振产品测试

1、采用S&A 250B、250B-1、350B、350A、350D等测试设备，这里介绍250B-1的性能。

1.1 规格特性

频率范围：10KHZ-400K; 0.5 MHZ—200MHZ

频率准确性：±1PPM（串联谐振频率的典型值）

晶体激励功率：0.1nW—1000uW（≤50MHZ）

0.1nW—500uW（>50MHZ）

注意：若使用者设定的数值超出上述的极限范围，则会出现相应的警告信息。

1.2 软件性能

250B-1 软件是一种允许对晶体进行自动测量的，且人机界面友好的可

视程序。该程序可以执行超过40 种晶体参数的测量，并显示每个晶体的各

种参数的PASS/FAIL 状态，晶体测试不良状态用红色字体显示出来。

250B-1 程序提供了四种不同的寄生扫描，供操作者来选择. 同时,软件

也提供了一种扩充的DLD 测量能力，该扫描可达20 段或步。250B-1 程序具

备使用四种不用算法来扫描谐振频率的能力。所有数据输出均为ODBC 格式， 可供厂内即时监控和分析用。

1.3 测量能力

250B-1 网络分析仪可以测量C0，FL，Fr，DLD1—DLD7，SPBD 等40 几种参

数。

五、晶振不良分析

附品质机能展开图表：图5

六、晶振研究应用

石英晶体谐振器的应用主要包括以下方面：

1、在使用之前，须在一个实际的安装电路中检验晶体电流．

2、须检查电路的负阻抗，负阻抗的认可见图6．负阻抗应是谐振阻抗的5倍左右．

3、当使用C-MOS振荡器时(见图6)线路图中的Rd是必要的．如果Rd达到要求，激励功率会保持在规定值内，那么谐振频率也就稳定了．

4、在10—30PF内，可以用Cg和Cd，如果Cg和Cd<10PF或>30PF，振荡会被电路现象轻易的影响，激励功率会升高，或负阻抗会减小，最终导致振荡的不稳定．

5、晶体振荡电路的设计应尽量简短．

6、电路和线路板问的杂散电容应尽量被减少．

7、尽量避免晶体振荡电路穿过其它电路．

8、如果电路用IC方式，而且IC制造各不相同，那么频率，激励功率，负阻抗须被确认．

9、其他特殊的振荡电路和泛音振荡电路附加的参考（图示7、图示8）．

图示7：其他特殊的振荡电路

图示8：三泛音振荡电路