1、張萍,石英晶體振蕩器,Inventec Confidential,石英晶體振蕩器的工作原理石英晶體振蕩器的分類石英晶體振蕩器的制成石英晶體振蕩器的主要參數(shù)石英晶體振蕩器的應(yīng)用,2,倫敦為了迎接千禧年，新建了“摩天轉(zhuǎn)輪”和“千禧橋”。千禧橋橫跨英國(guó)倫敦的泰晤士河，全長(zhǎng)325米，連接了圣保羅大教堂，以及對(duì)岸的泰特現(xiàn)代藝術(shù)館，可以同時(shí)讓5千人使用。千禧橋于1999年落成，于2000年5月13日正式開放，但由于大橋出現(xiàn)搖擺及振動(dòng)，千禧橋只開放了三天，當(dāng)局便暫停使用。兩年后重新開放。,Page 3,石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件 ,Page 4,振蕩器的工作原理,什么是石英,石

2、英的化學(xué)成分為SiO2,晶體屬于六方晶體系的氧化物礦物，即低溫石英，是石英族礦物中分部最廣的一個(gè)礦物種。廣義的石英還包括高溫石英。受壓或受熱能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,Page 5,壓電效應(yīng),石英晶體在壓力作用下產(chǎn)生形變 , 同時(shí)產(chǎn)生電極化。其極化強(qiáng)度與壓力成正比 ,這種現(xiàn)象就稱“正壓電效應(yīng)”。反之 ,在電場(chǎng)作用下 ,晶體產(chǎn)生形變 ,其形變大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比 ,這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。 若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶體就會(huì)變形；反之，若在晶體兩側(cè)施加壓力，晶體將在兩端形成電場(chǎng)這種物理現(xiàn)象即壓電效應(yīng)。 如果在晶振兩級(jí)加交變電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，晶體的振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。機(jī)械形變振幅較小，

3、晶體振動(dòng)的頻率比較穩(wěn)定。當(dāng)外加交變電壓的頻率和晶體的固有頻率相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的振幅急劇增加。,Page 6,壓電效應(yīng)的圖解,Page 7,為什么選用石英作為材料：,在二十多類具有壓電效應(yīng)的晶體中，石英晶體是無(wú)線通信設(shè)備中最為滿意的材料之一。它的機(jī)械強(qiáng)度高，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，內(nèi)損耗低等，用它制成的器件被廣泛用在頻率控制和頻率選擇電路中。,Page 8,晶振的分類,1.從功能上分晶振分為無(wú)源晶振和有源晶振。 英文名稱：Crystal 無(wú)源晶體 Oscillator 有源晶體 無(wú)源晶振只是個(gè)石英晶體片，使用時(shí)需匹配相應(yīng)的電容、電感、電阻等外圍電路才能工作，精度比晶振要低，但它不需要電源供電，有起振電

4、路即可起振，一般有兩個(gè)引腳，價(jià)格較低。,Page 9,晶振的分類,有源晶振內(nèi)部含有石英晶體和匹配電容等外圍電路，精度高、輸出信號(hào)穩(wěn)定，不需要設(shè)計(jì)外圍電路、使用方便，但需要電源供電，有源晶振一般是四個(gè)管腳封裝，有電源、地線、振蕩輸出和一個(gè)空置端。使用有源晶振時(shí)要特別注意，電源必須是穩(wěn)壓的且電源引線盡量短，并盡量與系統(tǒng)中使用晶振信號(hào)的芯片共地。,Page 10,晶振的分類,2.從封裝形式上有插腳型（PTH）和表面貼片裝型（SMD）,Page 11,石英晶體的基本構(gòu)成,石英晶體的基本構(gòu)成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片 ,在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極 ,在每個(gè)電極上各焊一根引線接到

5、管腳上 ,再加上封裝外殼 ,就構(gòu)成了石英晶體諧振器 ,簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝 ,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。,Page 12,無(wú)源晶振的制作工藝流程,無(wú)源晶振的組成和特性： 由石英片，電極，基座，上蓋，導(dǎo)電膠組成，其關(guān)鍵部分是石英片。石英片是彈性體，它有固定頻率。石英片也是壓電體，諧振時(shí)，振動(dòng)幅度最大，阻抗最小；失諧時(shí)，阻抗迅速加大。,Page 13,石英晶片的切型：在制造工藝中，首先要對(duì)石英晶體原材料進(jìn)行切割研磨處理，其中一道很重要的工序是定角。由于石英片的取向不同，其電壓特性、彈性特性和強(qiáng)度特性就不同，用它來(lái)制造的諧振器的性能也不一樣，經(jīng)過(guò)大量研究，已發(fā)現(xiàn)

6、了幾十種有用的切割方式。切型的習(xí)慣表示方法：AT,BT,CT,DT,ET,FC,SC,LC等。,Page 14,無(wú)源晶振的制作工藝流程,無(wú)源晶振的制作工藝流程,石英片的清洗：其實(shí)很多晶振廠購(gòu)買已經(jīng)切割好的石英片作為原材料，在制造中的第一步即為石英晶片的清洗。 利用酒精，熱水，IPA，氨水和雙氧水混合物，鉻酸溶液，純水等溶劑，石英晶片放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，并使用無(wú)塵烤箱進(jìn)行烘干處理。其目的是為了去除石英晶片上的雜物，為下一步蒸鍍作準(zhǔn)備。,Page 15,無(wú)源晶振的制作工藝流程,初鍍基膜:用真空鍍膜原理在潔凈的石英晶片上蒸鍍薄銀層或用離子轟擊金靶濺射到晶片表明形成薄金層，形成引出電極，并使其

7、頻率達(dá)到一定范圍。 在蒸鍍之前，需將石英晶體放入模具中，此模具將須蒸鍍的區(qū)域暴露出來(lái)，遮住無(wú)須蒸鍍的地方,Page 16,無(wú)源晶振的制作工藝流程,上架點(diǎn)膠：將鍍上銀（金）電極的晶片裝在基座上，點(diǎn)上導(dǎo)電膠，并高溫固化，通過(guò)彈片或PAD引出電信號(hào)。,Page 17,無(wú)源晶振的制作工藝流程,微調(diào)：采用離子轟擊的方式來(lái)調(diào)整晶片表面電極的厚度；使無(wú)源晶振的頻率達(dá)到規(guī)定的要求。,Page 18,無(wú)源晶振的制作工藝流程,封焊：將基座與上蓋放置在充滿氮?dú)猓ㄕ婵眨┑沫h(huán)境中進(jìn)行封焊，以保證產(chǎn)品的老化率符合要求，目前比較常用的上蓋為陶瓷或者金屬，為了降低成本，陶瓷封裝將會(huì)越來(lái)越多。,Page 19,無(wú)源晶振的制作工

8、藝流程,密封性檢查：檢查封焊后的產(chǎn)品是否有漏氣現(xiàn)象 粗檢漏：檢查較大的漏氣現(xiàn)象（壓差方式） 細(xì)檢漏：檢查較小的漏氣現(xiàn)象（壓合方式）,Page 20,無(wú)源晶振的制作工藝流程,老化及模擬回流焊：對(duì)產(chǎn)品加以高溫及長(zhǎng)時(shí)間老化，釋放應(yīng)力以及模擬客戶使用環(huán)境，暴露制造缺陷，以提高產(chǎn)品的可靠性。,Page 21,無(wú)源晶振的制作工藝流程,打標(biāo)：利用Laser在晶振的外殼上打上標(biāo)記。如型號(hào)，額定頻率等等，以便于區(qū)分不同的產(chǎn)品。,Page 22,無(wú)源晶振的制作工藝流程,測(cè)試包裝：對(duì)成品進(jìn)行電性能指標(biāo)測(cè)試，剔除不良品，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 測(cè)試OK的產(chǎn)品進(jìn)行包裝,Page 23,無(wú)源晶振的基本參數(shù),Frequency T

9、olerance（調(diào)整頻差）：在規(guī)定條件下，在基準(zhǔn)溫度（252）與標(biāo)稱頻率 允許的偏差。一般用 PPm（百萬(wàn)分之）表示。 Frequency Stability(溫度頻差)：指在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，與標(biāo)稱頻率允許的偏差。 用 PPm 表示。 Aging（年老化率）：在規(guī)定條件下，晶體工作頻率隨時(shí)間而允許的相對(duì)變化。以年為時(shí) 間單位衡量時(shí)稱為年老化率。 Shunt Capacitance（靜電容）：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容，也叫并電容，通常用 C0 表示。 Load Capacitance（負(fù)載電容）：與晶體一起決定負(fù)載諧振頻率 fL 的有效外界電容，通 常用 CL 表示。,Page 24

10、,有源晶振的介紹,有源晶振電路主要由IC、晶體XTAL、電阻、PCB等組成，在實(shí)際應(yīng)用中的線路原理圖如下,Page 25,有源晶振的介紹,有源晶振的分類： 普通有源晶振（SPXO），可產(chǎn)生10-510-4量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1100MHz頻率穩(wěn)定度是100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。 電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），其精度是10-610-5量級(jí)，頻率范圍130MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。,Page 26,有源晶振的介紹,有源晶振的分類： 溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率

11、補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10-710-6量級(jí)，頻率范圍160MHz，頻率穩(wěn)定度為0.12.5ppm，如果您需要使您的設(shè)備即開即用且要求高穩(wěn)定度，您就必須選用它，如果要求穩(wěn)定度在0.5ppm以上，則需選擇數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（MCXO或DTCXO），它通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無(wú)線通信設(shè)備等。,Page 27,有源晶振的介紹,有源晶振的分類： 恒溫控制式晶體振蕩（OCXO），它是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關(guān)重要元器件置于恒溫槽中，還

12、有的將石英晶體振子置于內(nèi)部的恒溫槽中，而將振蕩電路置于外部的恒溫槽中進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)行雙重恒溫槽控制法。利用比例控制的恒溫槽能把晶體的溫度穩(wěn)定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩(wěn)定度至少保持在1*10-9。OCXO主要用于移動(dòng)通信基地站、國(guó)防、導(dǎo)航、頻率計(jì)數(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備、儀表中。,Page 28,主要參數(shù),上升沿：信號(hào)從低到高的過(guò)程。 下降沿：信號(hào)從高變低的過(guò)程 信號(hào)的峰值Vp：信號(hào)波形所能達(dá)到的最大幅度值 上升時(shí)間tR：信號(hào)從0.1Vp上升到0.9Vp所經(jīng)歷的時(shí)間 下降時(shí)間tF：信號(hào)從0.9Vp下降到0.1Vp所經(jīng)歷的時(shí)間 波形寬度tw：信號(hào)從0.5Vp上升到Vp再下降至0.5Vp所經(jīng)歷的時(shí)間 信號(hào)周期T：對(duì)于一個(gè)周期性信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)周期T指兩個(gè)相鄰波形出現(xiàn)的時(shí)間間隔 占空比D：用來(lái)描述波形寬度