1、,石英晶體的設(shè)計應(yīng)用,2,內(nèi)容目錄,. 前言：石英晶體的電子應(yīng)用范圍 石英晶體諧振器 石英晶體振蕩器 產(chǎn)品選型 電路設(shè)計注意事項,石英晶體的電子應(yīng)用范圍,諧振器與鐘振器的應(yīng)用范圍十分廣泛，由低端的玩具產(chǎn)品至高端的衛(wèi)星通訊都會使用諧振器和鐘振器 產(chǎn)品的基本應(yīng)用是提供準(zhǔn)確的時基，要產(chǎn)生時基電源是不可缺的，所以像廚房用的機(jī)械式定時器是沒有使用石英器件的 目前我司的石英晶體產(chǎn)品主要分為兩類：石英晶體諧振器和石英晶體振蕩器（又叫做鐘振器），前者行業(yè)中一般簡稱晶體，所謂晶振一般指振蕩器,3,石英晶體的電子應(yīng)用范圍,石英技術(shù)發(fā)展的里程碑,5,1-1,第1節(jié)石英晶體諧振器,為什么選擇石英?,1-3,壓電作用在

2、一個壓電晶體的機(jī)械部分與一個電子電路之間提供一個接合連接。,無變形結(jié)構(gòu),X,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,變形結(jié)構(gòu),+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,X,-,+,Y,Y,_,_,壓電作用圖解,1-4,彎曲模式,外部模式,面切變模式,厚度切變模式,基頻厚度切變模式,第三泛音厚度切變,振動模式,90o,60o,30o,0,-30o,-60

3、o,-90o,0o,10o,20o,30o,AT,FC,IT,LC,SC,SBTC,BT,Singly Rotated Cut,Doubly Rotated Cut,零溫度系數(shù)石英切割,r,m,R,R,R,R,r,m,Y,Z,AT-切,BT-切,49o,35o,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,Y-bar 石英,Z,25,20,15,10,5,0,-5,-10,-15,-20,-25,-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,

4、80,85,90,f f,(ppm),溫度 (oC), = 35o 20 + , = 0 基頻 AT-切,溫度特性 ( AT 切),1-6,基座,支架,銀膠,電極,石英 晶片,外殼,封囗,引線,帶引線產(chǎn)品,頂視圖,THHF-49U的結(jié)構(gòu)圖,1-7,外殼 基座 基座 支架 絕緣子 引出端 晶片 電極 導(dǎo)電膠 絕緣片,SMHF-49S3的結(jié)構(gòu)圖,1-8,石英晶體符號,CL,C1,L1,R1,C0,CL,石英晶體諧振器的等效電路,負(fù)載電容,石英晶體的等效電路,1-9,0,jX,-jX,電抗,基本模式,第3泛音,第5泛音,頻率,假響應(yīng),假響應(yīng),1-10,假響應(yīng),一個石英晶體的泛音諧振,三次泛音石英晶體

5、諧振器的等效電路,C1,L1,R1,CL,三次泛音石英晶體的等效電路,C3,L3,R3,C0,負(fù)載電容,1-11,基頻與泛音典型振蕩電路,基頻振蕩電路,泛音振蕩電路,注：C1、C2的選擇因考慮晶體的負(fù)載電容,注：C1、C2的選擇因考慮晶體的負(fù)載電容， L1、C3的介入抑制了基頻響應(yīng),1-12,1-13,n: 泛音數(shù) C0: 靜態(tài)電容 C1: 動態(tài)電容 C1n: C1 的 n-th 泛音 L1: 動態(tài)感應(yīng)系數(shù) L1n: L1 的n-th 泛音 R1: 動態(tài)電阻 R1n: R1 的n-th 泛音 : Dielectric permittivity of quartz 40 x 10-13 pF/m

6、m (average) A: 電極區(qū)域 t: 鍍膜厚度 r: 電容比 r: f1/fn fs: 串聯(lián)諧振頻率 fR fa: 反諧振頻率 Q; 品質(zhì)因數(shù) 1: 動態(tài)持續(xù)時間 : 角度頻率 = 2f : 相位角度阻抗 k; 壓電耦合因數(shù) =8.8% for AT-cut, 4.99% for SC,等效電路參數(shù)關(guān)系,1-14,0,+,-,電抗,一個振蕩器 通常工作區(qū)域,反諧振頻率 fa,頻率,諧振頻率fr,諧振器電抗和頻率,1-15,Q值與衰減時間成正比，與諧振器線寬成反比（見下頁） Q值越高，諧振器頻率穩(wěn)定性和精確性越高。(即，高的Q值時必要不充分條件）。假設(shè)，Q = 106，10-10 精確性

7、要求有確定諧振曲線為0.01% 帶寬的能力，（在平均時間）10-12 的穩(wěn)定性要求在諧振頂峰的諧振曲線為10-6 帶寬。 靠近傳送者的相位噪聲對于Q值有很強(qiáng)的依賴型。 (L(f) 1/Q4).,Q值的重要性,石英晶體諧振器的基本參數(shù),石英晶體諧振器的基本參數(shù)包括： 需要由需求方提出的基本要求： 標(biāo)稱頻率： F 負(fù)載電容：CL 其它要求：工作溫度范圍、C0/C1等 2. 需要由供應(yīng)商測試控制的參數(shù)： 頻率精度：一般并聯(lián)諧振電路用FL（ppm） 等效電阻：Rr(ohms) 靜態(tài)電容：C0(pF) 動態(tài)電容：C1(fF) 等效電感：L(mH) 品質(zhì)因數(shù)：Q(k) 牽引能力：TS(ppm/pF) 驅(qū)動

8、功率依賴性：DLD 頻率溫度特性：TC(Relative to 25 C),1-16,檢漏,組裝,調(diào)頻,蒸鍍,封裝,烘烤,清洗 /檢測,付蝕,成形,角度修正 /粘板,X光定位,研磨,切割,OQA,付運(yùn),諧振器的生產(chǎn)流程具體的生產(chǎn)流程比較復(fù)雜，如有興趣，可參考我司QC工程圖,X光檢測 /修正,清洗,溫度循環(huán) /預(yù)老化,性能檢測,1-17,2-1,第2節(jié)石英晶體振蕩器,調(diào)頻 電壓,石英晶體,放大器,輸出頻率,石英晶體振蕩器基本電路,2-2,有源元件與被動元件,諧振器與鐘振器的最大區(qū)別是，前者是被動元件，後者是有源元件。 諧振器是被動元件，產(chǎn)品本身并無訊號輸出，只能在特定的條件下協(xié)助振蕩電路將頻率鎖

9、定，穩(wěn)定性容易受外部元件影響。 鐘振器是有源元件，特點(diǎn)是輸出端能直接提供驅(qū)動訊號，頻率的穩(wěn)定性不容易受外接元件影響。,2-3,鐘振器對比諧振器的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 直接輸出訊號，不易受外部元件影響頻率精度 精度比諧振器高，OCXO能達(dá)5x10E-10 使用放便，最終頻率的精度由供應(yīng)商控制，可減省調(diào)頻工序所花的費(fèi)用 客戶開發(fā)時能節(jié)省振蕩電路的開發(fā)成本、時間，可更快地掌握商機(jī),缺點(diǎn) 成本高 普通鐘振的占用面積/體積大 同系列產(chǎn)品的高度比諧振器高，不利於有高度限制的使用條件 使用的靈活性比諧振器低,2-4,溫度傳感器,補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 或計算器,水晶振蕩器, 溫度補(bǔ)償水晶振蕩器 (TCXO),-450C,+1 p

10、pm,-1 ppm,溫箱控制,水晶 振蕩器,溫度傳感器,溫箱, 溫控水晶振蕩器 (OCXO),調(diào)頻電壓,輸出, 水晶振蕩器 (XO),-450C,-10 ppm,+10 ppm,250C,T,+1000C,鐘振器分類,2-5,2-6,TCXO補(bǔ)償 頻率,變?nèi)荻O管 補(bǔ)償電壓 CL,頻率 / 電壓,未補(bǔ)償 頻率,T,晶體振蕩器頻率和溫度補(bǔ)償,3-1,第3節(jié)產(chǎn)品選型,產(chǎn)品選用的基本原則,開發(fā)時間 應(yīng)用目的 一般情況多以電氣性能進(jìn)行描述 應(yīng)用時的外部環(huán)境 一般情況多以機(jī)械性能和產(chǎn)品溫度特性進(jìn)行描述 對產(chǎn)品的期望值 來料檢驗標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品可靠性、特殊要求。,3-2,電氣特性,中心頻率 負(fù)載電容 振蕩模式/

11、切型 頻率誤差 阻抗特性 溫度特性 特殊特性 牽引、CO/C1比、Q值、相位噪聲,3-3,機(jī)械特性,外型尺寸 高度限制/焊盤尺寸/引線長短 抗振能力 抗沖擊能力 耐濕耐熱 外觀,3-4,4-1,第4節(jié)電路設(shè)計的注意事項,負(fù)載電容(CL)的選定,諧振器一如常見的電阻、電容是被動組件，其振蕩性能和頻率精度均受外部條件影響。最常見的是頻率偏倚，常見原因是諧振器的規(guī)格與在板等效負(fù)載電容不符。,4-2,負(fù)載電容(CL)的選定,雖然外接電容值是固定的，但I(xiàn)C、三極管和PCB的分布電容會因加工工藝而做成差異。30 常見的反相器振蕩電路設(shè)計，其等效負(fù)載可用: CL=C1 C2 / (C1 + C2) + CS

12、+ CIC CS:PCBA的分布電容 CIC:IC的輸入/輸出電容,4-3,振蕩器起振條件,4-4,振蕩電路的負(fù)性阻抗(-R),在設(shè)計振蕩器時，工作時的相位和振蕩電路的負(fù)性抗阻(-R)是要注意的。當(dāng)振蕩達(dá)至穩(wěn)定時，其相位狀態(tài)是: Le 1 / C1 = 0 如上文所說，這受外部條件影響的。 振蕩電路的-R對振蕩的起動性能和穩(wěn)定性是非常重要的。要達(dá)至振蕩的最低條件是: Re = | R |,4-5,振蕩電路的負(fù)性阻抗(-R),這個條件會隨應(yīng)用頻率和應(yīng)用環(huán)境而改變。當(dāng)振蕩電路的-R越大時，振蕩電路越容易起振。建議用下標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計指引: 設(shè)計基頻振蕩器 | R | 諧振器最大規(guī)格電阻的10倍 設(shè)計泛音振蕩器 | R | 諧振器最大規(guī)格電阻的5倍,4-6,振蕩電路的負(fù)性阻抗(-R),在確認(rèn)振蕩電路的設(shè)計時，建議采用簡易方法去確認(rèn)振蕩電路的-R的設(shè)計容差是否足夠。 簡易檢測方法 方法是在諧振器一端串上固定電阻，電阻值是諧振器規(guī)格電阻的5-10倍。在串上電阻后重復(fù)測試振蕩電路的起動情況。,4-7,振蕩電路的負(fù)性阻抗(-R),4-8,振蕩電路的負(fù)性阻抗(-R),簡易檢測方法的判斷標(biāo)準(zhǔn) 當(dāng)串上電阻后，振蕩電路起振暢順、振蕩幅度合適，可將電阻去掉并放心使用。 在出現(xiàn)以下