石英晶体的设计应用.ppt

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1、,石英晶体的设计应用,2,内容目录,.前言：石英晶体的电子应用范围石英晶体谐振器石英晶体振荡器产品选型电路设计注意事项,石英晶体的电子应用范围,谐振器与钟振器的应用范围十分广泛，由低端的玩具产品至高端的卫星通讯都会使用谐振器和钟振器产品的基本应用是提供准确的时基，要产生时基电源是不可缺的，所以像厨房用的机械式定时器是没有使用石英器件的目前我司的石英晶体产品主要分为两类：石英晶体谐振器和石英晶体振荡器（又叫做钟振器），前者行业中一般简称晶体，所谓晶振一般指振荡器,3,石英晶体的电子应用范围,石英技术发展的里程碑,5,1-1,第1节石英晶体谐振器,为什么选择石英?,1-3,压电作用在一个压电晶体的

2、机械部分与一个电子电路之间提供一个接合连接。,无变形结构,X,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,变形结构,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,X,-,+,Y,Y,_,_,压电作用图解,1-4,弯曲模式,外部模式,面切变模式,厚度切变模式,基频厚度切变模式,第三泛音厚度切变,振动模式,90o,60o,30o,0,-30o,-60o,-90o,

3、0o,10o,20o,30o,AT,FC,IT,LC,SC,SBTC,BT,SinglyRotatedCut,Doubly Rotated Cut,零温度系数石英切割,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,-5,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,

4、ff,(ppm),温度(oC),=35o 20+,=0基频 AT-切,温度特性(AT 切),1-6,基座,支架,银胶,电极,石英晶片,外壳,封囗,引线,带引线产品,顶视图,THHF-49U的结构图,1-7,外壳基座基座支架绝缘子引出端晶片电极导电胶绝缘片,SMHF-49S3的结构图,1-8,石英晶体符号,CL,C1,L1,R1,C0,CL,石英晶体谐振器的等效电路,负载电容,石英晶体的等效电路,1-9,0,jX,-jX,电抗,基本模式,第3泛音,第5泛音,频率,假响应,假响应,1-10,假响应,一个石英晶体的泛音谐振,三次泛音石英晶体谐振器的等效电路,C1,L1,R1,CL,三次泛音石英晶体的

5、等效电路,C3,L3,R3,C0,负载电容,1-11,基频与泛音典型振荡电路,基频振荡电路,泛音振荡电路,注：C1、C2的选择因考虑晶体的负载电容,注：C1、C2的选择因考虑晶体的负载电容，L1、C3的介入抑制了基频响应,1-12,1-13,n:泛音数C0:静态电容C1:动态电容C1n:C1 的 n-th 泛音L1:动态感应系数L1n:L1 的n-th 泛音R1:动态电阻R1n:R1 的n-th 泛音:Dielectric permittivity of quartz 40 x 10-13 pF/mm(average)A:电极区域t:镀膜厚度r:电容比r:f1/fnfs:串联谐振频率 fRfa

6、:反谐振频率Q;品质因数1:动态持续时间:角度频率=2f:相位角度阻抗k;压电耦合因数=8.8%for AT-cut,4.99%for SC,等效电路参数关系,1-14,0,+,-,电抗,一个振荡器通常工作区域,反谐振频率 fa,频率,谐振频率fr,谐振器电抗和频率,1-15,Q值与衰减时间成正比，与谐振器线宽成反比（见下页）Q值越高，谐振器频率稳定性和精确性越高。(即，高的Q值时必要不充分条件）。假设，Q=106，10-10 精确性要求有确定谐振曲线为0.01%带宽的能力，（在平均时间）10-12 的稳定性要求在谐振顶峰的谐振曲线为10-6 带宽。靠近传送者的相位噪声对于Q值有很强的依赖型。

7、(L(f)1/Q4).,Q值的重要性,石英晶体谐振器的基本参数,石英晶体谐振器的基本参数包括：需要由需求方提出的基本要求：标称频率：F负载电容：CL其它要求：工作温度范围、C0/C1等2.需要由供应商测试控制的参数：频率精度：一般并联谐振电路用FL（ppm）等效电阻：Rr(ohms)静态电容：C0(pF)动态电容：C1(fF)等效电感：L(mH)品质因数：Q(k)牵引能力：TS(ppm/pF)驱动功率依赖性：DLD频率温度特性：TC(Relative to 25 C),1-16,檢漏,組裝,調頻,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,谐振

8、器的生产流程具体的生产流程比较复杂，如有兴趣，可参考我司QC工程图,X光檢測/修正,清洗,溫度循環/預老化,性能檢測,1-17,2-1,第2节石英晶体振荡器,调频电压,石英晶体,放大器,输出频率,石英晶体振荡器基本电路,2-2,有源元件与被动元件,谐振器与钟振器的最大区别是，前者是被动元件，後者是有源元件。谐振器是被动元件，产品本身并无讯号输出，只能在特定的条件下协助振荡电路将频率锁定，稳定性容易受外部元件影响。钟振器是有源元件，特点是输出端能直接提供驱动讯号，频率的稳定性不容易受外接元件影响。,2-3,钟振器对比谐振器的优缺点,优点直接输出讯号，不易受外部元件影响频率精度精度比谐振器高，OC

9、XO能达5x10E-10使用放便，最终频率的精度由供应商控制，可减省调频工序所花的费用客户开发时能节省振荡电路的开发成本、时间，可更快地掌握商机,缺点成本高普通钟振的占用面积/体积大同系列产品的高度比谐振器高，不利於有高度限制的使用条件使用的灵活性比谐振器低,2-4,温度传感器,补偿网络或计算器,水晶振荡器,温度补偿水晶振荡器(TCXO),-450C,+1 ppm,-1 ppm,温箱控制,水晶振荡器,温度传感器,温箱,温控水晶振荡器(OCXO),调频电压,输出,水晶振荡器(XO),-450C,-10 ppm,+10 ppm,250C,T,+1000C,钟振器分类,2-5,2-6,TCXO补偿频

10、率,变容二极管补偿电压 CL,频率/电压,未补偿频率,T,晶体振荡器频率和温度补偿,3-1,第3节产品选型,产品选用的基本原则,开发时间应用目的一般情况多以电气性能进行描述应用时的外部环境一般情况多以机械性能和产品温度特性进行描述对产品的期望值来料检验标准、产品可靠性、特殊要求。,3-2,电气特性,中心频率负载电容振荡模式/切型频率误差阻抗特性温度特性特殊特性 牵引、CO/C1比、Q值、相位噪声,3-3,机械特性,外型尺寸 高度限制/焊盘尺寸/引线长短抗振能力抗冲击能力耐湿耐热外观,3-4,4-1,第4节电路设计的注意事项,负载电容(CL)的选定,谐振器一如常见的电阻、电容是被动组件，其振荡性

11、能和频率精度均受外部条件影响。最常见的是频率偏倚，常见原因是谐振器的规格与在板等效负载电容不符。,4-2,负载电容(CL)的选定,虽然外接电容值是固定的，但IC、三极管和PCB的分布电容会因加工工艺而做成差异。30常见的反相器振荡电路设计，其等效负载可用:CL=C1 C2/(C1+C2)+CS+CIC CS:PCBA的分布电容CIC:IC的输入/输出电容,4-3,振荡器起振条件,4-4,振荡电路的负性阻抗(-R),在设计振荡器时，工作时的相位和振荡电路的负性抗阻(-R)是要注意的。当振荡达至稳定时，其相位状态是:Le 1/C1=0如上文所说，这受外部条件影响的。振荡电路的-R对振荡的起动性能和

12、稳定性是非常重要的。要达至振荡的最低条件是:Re=|R|,4-5,振荡电路的负性阻抗(-R),这个条件会随应用频率和应用环境而改变。当振荡电路的-R越大时，振荡电路越容易起振。建议用下标准作为设计指引:设计基频振荡器|R|谐振器最大规格电阻的10倍设计泛音振荡器|R|谐振器最大规格电阻的5倍,4-6,振荡电路的负性阻抗(-R),在确认振荡电路的设计时，建议采用简易方法去确认振荡电路的-R的设计容差是否足够。简易检测方法方法是在谐振器一端串上固定电阻，电阻值是谐振器规格电阻的5-10倍。在串上电阻后重复测试振荡电路的起动情况。,4-7,振荡电路的负性阻抗(-R),4-8,振荡电路的负性阻抗(-R),简易检测方法的判断标准当串上电阻后，振荡电路起振畅顺、振荡幅度合适，可将电阻去掉并放心使用。在出现以下情况时，请与应达利的技术人员联系:不起振需要较长时间才能起振振荡幅度非常微弱,4-9,驱动功率,石英谐振器是压电器件，AT切谐振器在工作中会因应电讯号而产生微细的机械变形机械变形的幅度随驱动功率增加。若驱动功率不受制时，当机械变形大于石英材料弹性能承受时，振子便会破裂损毁。在设计振荡电路时应控制驱动功率，特别是涉及异步通讯的应用中，尽可能将驱动功率控制在10-100uW之间。,4-10,