晶振與晶體的參數(shù)詳解

1) 晶振是有源晶振的簡(jiǎn)稱，又叫振蕩器。英文名稱是oscillator。晶體則是無(wú)源晶振的簡(jiǎn)稱，也叫諧振器。英文名稱是crystal.

2) 無(wú)源晶振(晶體)一般是直插兩個(gè)腳的無(wú)極性元件，需要借助時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)。常見(jiàn)的有49U、49S封裝。

3) 有源晶振(晶振)一般是表貼四個(gè)腳的封裝，內(nèi)部有時(shí)鐘電路，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號(hào)。一般分7050、5032、3225、2520幾種封裝形式。

2. MEMS硅晶振與石英晶振區(qū)別

MEMS硅晶振采用硅為原材料，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝制造而成。因此在高性能與低成本方面，有明顯于石英的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下方面：

1) 全自動(dòng)化半導(dǎo)體工藝(芯片級(jí))，無(wú)氣密性問(wèn)題，永不停振。

2) 內(nèi)部包含溫補(bǔ)電路，無(wú)溫漂，-40—85℃全溫保證。

3) 平均無(wú)故障工作時(shí)間5億小時(shí)。

4) 抗震性能25倍于石英振蕩器。

5) 支持1-800MHZ任一頻點(diǎn)，精確致小數(shù)點(diǎn)后5位輸出。

6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多種工作電壓匹配。

7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各種精度匹配。

8) 支持7050、5032、3225、2520所有標(biāo)準(zhǔn)尺寸封裝。

9) 標(biāo)準(zhǔn)四腳、六腳封裝，無(wú)需任何設(shè)計(jì)改動(dòng)，直接替代石英振蕩器。

10) 支持差分輸出、單端輸出、壓控(VCXO)、溫補(bǔ)(TCXO)等產(chǎn)品種類。

11) 300%的市場(chǎng)增長(zhǎng)率，三年內(nèi)有望替代80%以上的石英振蕩器市場(chǎng)。

3. 晶體諧振器的等效電路

上圖是一個(gè)在諧振頻率附近有與晶體諧振器具有相同阻抗特性的簡(jiǎn)化電路。其中：C1為動(dòng)態(tài)電容也稱等效串聯(lián)電容;L1為動(dòng)態(tài)電感也稱等效串聯(lián)電感;R1為動(dòng)態(tài)電阻也稱等效串聯(lián)電阻;C0為靜態(tài)電容也稱等效并聯(lián)電容。

這個(gè)等效電路中有兩個(gè)最有用的零相位頻率，其中一個(gè)是諧振頻率(Fr)，另一個(gè)是反諧振頻率(Fa)。當(dāng)晶體元件實(shí)際應(yīng)用于振蕩電路中時(shí)，它一般還會(huì)與一負(fù)載電容相聯(lián)接，共同作用使晶體工作于Fr和Fa之間的某個(gè)頻率，這個(gè)頻率由振蕩電路的相位和有效電抗確定，通過(guò)改變電路的電抗條件，就可以在有限的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)晶體頻率。

4. 關(guān)鍵參數(shù)

4.1 標(biāo)稱頻率

指晶體元件規(guī)范中所指定的頻率，也即用戶在電路設(shè)計(jì)和元件選購(gòu)時(shí)所希望的理想工作頻率。

4.2 調(diào)整頻差

基準(zhǔn)溫度時(shí)，工作頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率的最大允許偏離。常用ppm(1/106)表示。

4.3 溫度頻差

在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作頻率相對(duì)于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的允許偏離。常用ppm(1/106)表示。

4.4 老化率

指在規(guī)定條件下，由于時(shí)間所引起的頻率漂移。這一指標(biāo)對(duì)精密晶體是必要的，但它“沒(méi)有明確的試驗(yàn)條件，而是由制造商通過(guò)對(duì)所有產(chǎn)品有計(jì)劃抽驗(yàn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)督的，某些晶體元件可能比規(guī)定的水平要差，這是允許的”(根據(jù)IEC的公告)。老化問(wèn)題的最好解決方法只能靠制造商和用戶之間的密切協(xié)商。

4.5 諧振電阻(Rr)

指晶體元件在諧振頻率處的等效電阻，當(dāng)不考慮C0的作用，也近似等于所謂晶體的動(dòng)態(tài)電阻R1或稱等效串聯(lián)電阻(ESR)。這個(gè)參數(shù)控制著晶體元件的品質(zhì)因數(shù)，還決定所應(yīng)用電路中的晶體振蕩電平，因而影響晶體的穩(wěn)定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶體元件的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)。一般的，對(duì)于一給定頻率，選用的晶體盒越小，ESR的平均值可能就越高;絕大多數(shù)情況，在制造過(guò)程中并不能預(yù)計(jì)具體某個(gè)晶體元件的電阻值，而只能保證電阻將低于規(guī)范中所給的最大值。

4.6 負(fù)載諧振電阻(RL)

指晶體元件與規(guī)定外部電容相串聯(lián)，在負(fù)載諧振頻率FL時(shí)的電阻。對(duì)一給定晶體元體，其負(fù)載諧振電阻值取決于和該元件一起工作的負(fù)載電容值，串上負(fù)載電容后的諧振電阻，總是大于晶體元件本身的諧振電阻。

4.7 負(fù)載電容(CL)

與晶體元件一起決定負(fù)載諧振頻率FL的有效外界電容。晶體元件規(guī)范中的CL是一個(gè)測(cè)試條件也是一個(gè)使用條件，這個(gè)值可在用戶具體使用時(shí)根據(jù)情況作適當(dāng)調(diào)整，來(lái)微調(diào)FL的實(shí)際工作頻率(也即晶體的制造公差可調(diào)整)。但它有一個(gè)合適值，否則會(huì)給振蕩電路帶來(lái)惡化，其值通常采用10pF、15pF 、20pF、30pF、50pF、∝等，其中當(dāng)CL標(biāo)為∝時(shí)表示其應(yīng)用在串聯(lián)諧振型電路中，不要再加負(fù)載電容，并且工作頻率就是晶體的(串聯(lián))諧振頻率Fr。用戶應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于某些晶體(包括不封裝的振子應(yīng)用)，在某一生產(chǎn)規(guī)范既定的負(fù)載電容下(特別是小負(fù)載電容時(shí))，±0.5pF的電路實(shí)際電容的偏差就能產(chǎn)生±10×10-6的頻率誤差。因此，負(fù)載電容是一個(gè)非常重要的訂貨規(guī)范指標(biāo)。

4.8 靜態(tài)電容(C0)

等效電路靜態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積、晶片厚度和晶片加工工藝。

4.9 動(dòng)態(tài)電容(C1)

等效電路中動(dòng)態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積，另外還和晶片平行度、微調(diào)量的大小有關(guān)。

4.10 動(dòng)態(tài)電感(L1)

等效電路中動(dòng)態(tài)臂里的電感。動(dòng)態(tài)電感與動(dòng)態(tài)電容是一對(duì)相關(guān)量。

4.11 諧振頻率(Fr)

指在規(guī)定條件下，晶體元件電氣阻抗為電阻性的兩個(gè)頻率中較低的一個(gè)頻率。根據(jù)等效電路，當(dāng)不考慮C0的作用，F(xiàn)r由C1和L1決定，近似等于所謂串聯(lián)(支路)諧振頻率(Fs)。這一頻率是晶體的自然諧振頻率，它在高穩(wěn)晶振的設(shè)計(jì)中，是作為使晶振穩(wěn)定工作于標(biāo)稱頻率、確定頻率調(diào)整范圍、設(shè)置頻率微調(diào)裝置等要求時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4.12 負(fù)載諧振頻率(FL)

指在規(guī)定條件下，晶體元件與一負(fù)載電容串聯(lián)或并聯(lián)，其組合阻抗呈現(xiàn)為電阻性時(shí)兩個(gè)頻率中的一個(gè)頻率。在串聯(lián)負(fù)載電容時(shí)，F(xiàn)L是兩個(gè)頻率中較低的那個(gè)頻率;在并聯(lián)負(fù)載電容時(shí)，F(xiàn)L則是其中較高的那個(gè)頻率。對(duì)于某一給定的負(fù)載電容值(CL)，就實(shí)際效果，這兩個(gè)頻率是相同的;而且

這一頻率是晶體的絕大多數(shù)應(yīng)用時(shí)，在電路中所表現(xiàn)的實(shí)際頻率，也是制造廠商為滿足用戶對(duì)產(chǎn)品符合標(biāo)稱頻率要求的測(cè)試指標(biāo)參數(shù)。

4.13 品質(zhì)因數(shù)(Q)

品質(zhì)因數(shù)又稱機(jī)械Q值，它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù)，它與L1和C1有如下關(guān)系：

Q=wL1/R1=1/wR1C1

如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且還會(huì)導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定。反之Q值越高，頻率越穩(wěn)定。

4.14 激勵(lì)電平(Level of drive)

是一種用耗散功率表示的，施加于晶體元件的激勵(lì)條件的量度。所有晶體元件的頻率和電阻都在一定程度上隨激勵(lì)電平的變化而變化，這稱為激勵(lì)電平相關(guān)性(DLD)，因此訂貨規(guī)范中的激勵(lì)電平須是晶體實(shí)際應(yīng)用電路中的激勵(lì)電平。正因?yàn)榫w元件固有的激勵(lì)電平相關(guān)性的特性，用戶在振蕩電路設(shè)計(jì)和晶體使用時(shí)，必須注意和保證不出現(xiàn)激勵(lì)電平過(guò)低而起振不良或過(guò)度激勵(lì)頻率異常的現(xiàn)象。

4.15 激勵(lì)電平相關(guān)性(DLD)

由于壓電效應(yīng)，激勵(lì)電平強(qiáng)迫諧振子產(chǎn)生機(jī)械振蕩，在這個(gè)過(guò)程中，加速度功轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性能，功耗轉(zhuǎn)化為熱。后者的轉(zhuǎn)換是由于石英諧振子的內(nèi)部和外部的摩擦所造成的。

摩擦損耗與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度有關(guān)，當(dāng)震蕩不再是線性的，或當(dāng)石英振子內(nèi)部或其表面及安裝點(diǎn)的拉伸或應(yīng)變、位移或加速度達(dá)到臨界時(shí)，摩擦損耗將增加。因而引起頻率和電阻的變化。

加工過(guò)程中造成DLD不良的主要原因如下，其結(jié)果可能是不能起振：

1) 諧振子表面存在微粒污染。主要產(chǎn)生原因?yàn)樯a(chǎn)環(huán)境不潔凈或非法接觸晶片表面;

2) 諧振子的機(jī)械損傷。主要產(chǎn)生原因?yàn)檠心ミ^(guò)程中產(chǎn)生的劃痕。

3) 電極中存在微?；蜚y球。主要產(chǎn)生原因?yàn)檎婵帐也粷崈艉湾兡に俾什缓线m。

4) 裝架是電極接觸不良;

5) 支架、電極和石英片之間存在機(jī)械應(yīng)力。

4.16 DLD2(單位：歐姆)

不同激勵(lì)電平下的負(fù)載諧振電阻的最大值與最小值之間的差值。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

4.17 RLD2(單位：歐姆)

不同激勵(lì)電平下的負(fù)載諧振電阻的平均值<與諧振電阻Rr的值比較接近，但要大一些>。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

4.18 寄生響應(yīng)

所有晶體元件除了主響應(yīng)(需要的頻率)之外，還有其它的頻率響應(yīng)。減弱寄生響應(yīng)的辦法是改變晶片的幾何尺寸、電極，以及晶片加工工藝，但是同時(shí)會(huì)改變晶體的動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)。

寄生響應(yīng)的測(cè)量

1) SPDB 用DB表示Fr的幅度與最大寄生幅度的差值;

2) SPUR 在最大寄生處的電阻;

3) SPFR 最小電阻寄生與諧振頻率的距離，用Hz或ppm表示。

5. 晶體振蕩器的分類

5.1 Package石英振蕩器(SPXO)

不施以溫度控制及溫度補(bǔ)償?shù)氖⒄袷幤?。頻率溫度特性依靠石英振蕩晶體本身的穩(wěn)定性。

5.2 溫度補(bǔ)償石英振蕩器(TCXO)

附加溫度補(bǔ)償回路，減少其頻率因周圍溫度變動(dòng)而變化之石英振蕩器。

5.3 電壓控制石英振蕩器(VCXO)

控制外來(lái)的電壓，使輸出頻率能夠變化或調(diào)變的石英振蕩器。

5.4 恒溫槽式石英振蕩器(OCXO)

以恒溫槽保持石英振蕩器或石英振蕩晶體在一定溫度，控制其輸出頻率在周圍溫度下也能保持極小變化量之石英振蕩器。

除了以上四種振蕩器外，隨著PLL、Digital、Memory技術(shù)的應(yīng)用，其他功能的多元化石英振蕩器也快速增加。