1、 SSEEC FA研发中心中心 SY.1.石英晶体.32.石英晶体谐振器.133.石英晶体振荡器.284.振荡器的稳定性.365.我司实际使用的晶振相关介绍.546.石英晶体谐振器选用的注意事项.647.石英晶体谐振器在使用过程中的一些注意事项.69 石英是拥有以下特性的唯一材料：石英是拥有以下特性的唯一材料：具有压电效应 存在零温度系数的切型 存在压力补偿的切型 低损耗（高Q）容易加工；在正常条件下，除了氟化物腐蚀剂，对所有物质存在低溶性；硬而不脆。自然界含量丰富；易于低成本大量生长，生成晶体有比较高的纯度。石英晶体六角锥体两顶点的连线称为Z轴，又称光轴；在Z轴垂直的横截面上，六角形的三条对
2、角线称为X轴，又称电轴；与X轴垂直的三条线称为Y轴，又称机械轴。若在电轴或机械轴方向对石英片施加外力使其形变，则垂直与该轴的方向上会产生符号相反、数值相等的电荷。STRAINEXTENSIONALalong:SHEARabout:FIELD along:XYZXYZX Y Z XYZ压电效应能使压电晶体的机械特性和电路信号之间相互转化。石英在电场的作用下，有五种机械变化。下页显示的变化模式可以在合适的电极位置和形状下产生。常用Y-切系列，包括AT、BT和ST切。无形变无形变X+_形变形变+_X-+YY_弯曲模式延长模式对角拉伸模式厚度切割模式基频厚度切割模式三次泛音厚度切割模式0jX-jX电抗
3、电抗基频基频3rd 泛音泛音5th 泛音泛音FrequencySpuriousresponsesSpuriousresponsesSpuriousresponsesxxlyzThe AT,FC,IT,SC,BT,and SBTC-cuts 是零温度系数切型中的几种。LC 是用于石英温度计的一种线性温度系数切型Y-cut:+90 ppm/0C(厚度切割模式)X-cut:-20 ppm/0C(延长模式)90o60o30o0-30o-60o-90o0o10o20o30oATFCITLCSCSBTCBTSinglyRotatedCutDoubly Rotated CutrmRRRRrmYZAT-cut
4、BT-cut49o35o-1012345678-1012345678Y-bar quartzZ2520151050-5-10-15-20-25-45-40-35-30-25-20-15-10-5051015202530354045505560657075808590 ff(ppm)Temperature(oC)=35o 20+,=0for 5th overtone AT-cut =35o 12.5+,=0 forfundamental mode plano-plano AT-cutSC-cut 的优势的优势 瞬时温度补偿-能适应快速温度变化 能做成高稳定的OCXO and MCXO-静态和动态
5、频率温度特性好 稳定性高 驱动电平低 平面压力补偿-边缘压力和弯曲引起的f 较小 对辐射的敏感度低 较高的电容比-振荡器阻抗变化引起的 f 较小 电极形状的敏感度低SC-cut的劣势的劣势:制造恒温晶振（OCXO）的难度大(它比 AT-cut 制成精确的温补晶振（TCXO）而言更易制成微机补偿晶振（MCXO）BaseMountingclipsBonding areaElectrodesQuartzblankCoverSealPinsQuartzblankBondingareaCoverMountingclipsSealBasePinsTwo-point Mount PackageThree-a
6、nd Four-point Mount PackageTop view of coverCLRSpringMassDashpot缓冲缓冲1.Voltage control(VCXO)2.Temperature compensation (TCXO)Symbol for crystal unitCLC1L1R1C0CL 1CL121sf1tAC010CCr 1CL121sf12rfffssa11CRf21QSs10CR141113111nnCrC31131n rLnL111RC1LsfQ360dfdrRnR1131n22kn2r0+-Reactance0fC21振荡器通常工作区振荡器通常工作区反
7、共振反共振,faFrequency谐振谐振,fr封口烘焙微调最终清洗频率检查清洗检查点胶安放支架准备电镀厚度分类清洗蚀刻(化学试剂)倒角角度确认X射线测角度车圆叠片切割清洗石英生长设计测试成品SCopper targetX-ray sourceShieldingMonochromatorcrystal检测器检测器被测晶片被测晶片Double-crystal x-ray diffraction（衍射衍射）system测角器测角器X-ray 柱柱在制造过程中，污染必须得到控制，否则会带来以下不良后果：稳定性 -老化 -滞后 -噪音 -非线性和阻抗异常 -频率突变 生产制造 可靠性 晶片周围环境和封
8、装过程对谐振器的稳定性有重要影响。单层能吸附的污染物质在 1015 微粒/cm2 之内(光滑表面)10-7托的真空度可含 109 气态微粒/cm3因此因此:在 1 cm3 的空间内吸附的污染物质是在10-7托的真空度内所含气态微粒的106 倍。这些吸附物质将会导致老化、滞后、噪音等现象。调整电压调整电压晶体谐振器晶体谐振器放大器放大器输出频率输出频率 在某一振荡的频率下其闭环相移 =2n.当有激励时，最初仅产生噪声信号。噪声中只有那些频率满足振荡相位条件的，才能形成振荡且幅度增加。幅度增加的比例取决于外部条件，如 激励信号、闭环增益、晶体所在网络的带宽等。幅度一直增加，直到因元件的非线性或自动
9、增益控制引起的增益下降为止。在稳定状态下闭环增益=1。XO.Crystal Oscillator晶体振荡器 VCXOVoltage Controlled Crystal Oscillator压控晶体振荡器 OCXOOven Controlled Crystal Oscillator恒温晶体振荡器 TCXOTemperature Compensated Crystal Oscillator 温度补偿晶体振荡器 TCVCXO.Temperature Compensated/Voltage Controlled Crystal Oscillator温度补偿/压控晶体振荡器 OCVCXO.Oven C
10、ontrolled/Voltage Controlled Crystal Oscillator 恒温/压控晶体振荡器 MCXOMicrocomputer Compensated Crystal Oscillator 微机补偿晶体振荡器 RbXO.Rubidium-Crystal Oscillator铷晶体振荡器 根据晶体的温度频率特性，将晶体分为三类：XO,crystal oscillator,不含温度频率特性.在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。TCXO,temperature c
11、ompensated crystal oscillator,温度补偿型.它是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿措施，以达到在宽温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络，补偿后频率稳定度在10-710-6量级。由于其具有良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，因而获行了广泛应用。OCXO,oven controlled crystal oscillator,恒恒温控制型.它是采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点上的晶体振荡器。中精度产品频率稳定度为10-710-8，高精度产品频率稳定度在10-9量级以
12、上。它主要用作频率源或标准信号。TemperatureSensorCompensationNetwork orComputerXO Temperature Compensated(TCXO)-450Cff+1 ppm-1 ppm+1000CTOvencontrolXOTemperatureSensorOven Oven Controlled(OCXO)-450Cff+1 x 10-8-1 x 10-8+1000CTVoltageTuneOutput Crystal Oscillator(XO)-450C-10 ppm+10 ppm250CT+1000CffTCXO补偿后的频率可变电容 CL的补
13、偿电压Frequency/Voltage未得补偿的频率未得补偿的频率T温度温度 参数参数切型,泛音切型角度公差白片 电镀后频率公差活性滞后作用(-550C to+850C)年老化率 MCXOSC-cut,3rdLooseLooseLow10-9 to 10-810-8 to 10-7 TCXOAT-cut,fund.TightTightSignificant10-7 to 10-610-7 to 10-6精确但不准确精确但不准确不精确也不准确不精确也不准确准确但不精确准确但不精确即准确又精确即准确又精确TimeTimeTimeTime稳定不准确稳定不准确不稳定也不准确不稳定也不准确准确但不稳定
14、准确但不稳定即稳定又准确即稳定又准确0ffff 时间时间 短期(噪声)中期(例如温度波动的影响)长期(老化率)温度温度 温度对静态频率的影响 温度对动态频率的影响(如加热、热冲击)Thermal history(hysteresis,retrace)加速度加速度 重力 噪声 振动 震动 电离辐射电离辐射 稳定状态 光子(X-rays,-rays)脉冲 粒子(中子,质子,电子)其它其它 电源电压 湿度 磁场 大气压力 负载电阻810Xff3210-1-2-3t0t1t2t3t4TemperatureStep振动振动震动震动振荡器的振荡器的开启和关断开启和关断2-gTipover辐射辐射Timet
15、5t6t7t8老化率老化率OffOn短期短期不稳定不稳定510152025Time(days)短期不稳定(噪声)f/f(ppm)3025201510f/fA(t)=5 ln(0.5t+1)TimeA(t)+B(t)B(t)=-35 ln(0.006t+1)稳定频率稳定频率(理想振荡器理想振荡器)不稳定频率不稳定频率(实际振荡器实际振荡器)Time(t)Time(t)V1-1T1T2T31-1T1T2T3V(t)=V0 sin(20t)V(t)=V0+(t)sin20t+(t)(t)=20t(t)=20t+(t)V(t)=振荡器输出电压 ,V0=正常峰值电压振幅(t)=噪声的振幅,0=载波频率(
16、t)=瞬时相位 ,(t)=异常相位t d)t(d21=t d)t(d21=)t(0 frequency,ousInstantane V振幅振幅不稳定性不稳定性频率不稳定性频率不稳定性相位相位不稳定性不稳定性-Voltage +0Time 振荡器工作的状态和可遇见性变差 影响谐振和同步的精度 限制接受器的可用动态范围、频道间隔、选择性；影响抗干扰能力 影响雷达性能（特别是多普勒雷达）引起时序错误 引起数字通讯的位码错误 限制通讯系统用户数量，因为发射机的噪声会对邻近频道的接受 器产生干扰 影响航海精度 影响窄带谐振器的锁定能力 引起失锁；影响锁相环系统保持和锁定振荡器噪声的影响振荡器噪声的影响主
17、要因素：切割角度主要因素：切割角度 次要因素次要因素:泛音 白片形状（外型、几何尺寸）材料纯度和应力 装配&焊接压力(大小和方向）电极（大小、形状、厚度、密度、压力）驱动电平 干扰模式 负载电抗（大小和温度系数）温度变化的速率 受热过程 电离辐射 采用补偿反馈技术可得105 的热增益(如：测量外界温度和调节补偿电热调节器的设置点)。例如，如果外部T=100oC，内部T=1 mK，则可获得105 的热增益。优良放大器的稳定性为1mK/K 电热调节器的稳定性在1mK/年 100mK/年 噪声 1mK(包括电热调节器的噪声、放大器的噪声、整流电流的噪声)温度波动的量子级限制为 1nK 最佳恒温设计能
18、提供较高的频率温度稳定性 Deviation from static f vs.t=,where,for example,-2 x 10-7 s/K2for a typical AT-cut resonator dtdTaaTime(min)烘箱加热时间烘箱加热时间Fractional Frequency Deviation From Turnover Frequency369121510-310-410-5-10-610-710-8-10-8-10-710-60T摄氏度摄氏度SC-cutr=Co/C1=746 =0.130ff12840-4-8-12-50200450700950120014
19、5017001950*10-6(ppm)53MT,0C50403020100-10-20-30-50-100-80-40-20-020406080 AT-cut参考切割角参考切割角()比泛音模式高比泛音模式高8分分.(SC-cut泛音模式的泛音模式的参考切割角参考切割角()又又高高30分分)1-60-40ff在高电平驱动时，因石英 的非线性使谐振曲线变得不对称Normalized current amplitudeFrequency10-610 m m W100 m m W400 m m W4000 m m WFrequency Change(parts in 109)806040200-20
20、1002003004005006007005 MHz AT3 diopter10 MHz SC2 diopter10 MHz SC1 diopter10 MHz SC10 MHz BT晶体电流晶体电流(微安微安)10-310-210-1110100Resistance R1IX(mA)不规则起始电阻不规则起始电阻正常工作范围正常工作范围驱动电流的影响驱动电流的影响 晶体振荡器没有内在失效机制。有些可以工作数十年也没有出现失效。振荡器失效（超出规格范围）有时是以下原因造成：较差的制作工艺和品质控制。例：焊点松动、封装漏气、材料偶然故障。因老化严重且调整范围不足，频偏超出标准范围。因老化影响，TC
21、XO的频率温度特性退化。因温度设置点的漂移，OCXO的频率温度特性退化。因频繁的浸渍使振荡停止、频偏超出标准范围、在某些温度下变成噪音。因使用未清洁的晶片或电路元件参数选择不当使在电离辐射时，振荡停止、频偏超出标准范围。因振动引起的噪声使振荡器噪声超标。因表面加工不当，冲击时使晶片破裂。参数 Status FL:20pFCLRrC0C1TsQLC0/C1 DLD-dRs2单位ppmpF ohm pF fF ppm/pFKmH ohm上限值 High20252579999.9 9999.9 9999.9 9999.9 99999.99下限值 Low-2015000000001Pass 1-4.6319.647 7.5 3.73 15.02413.351.92.314248.30.52Pass 1-0.5919.968 7.2 3.82 15.43413.6532.253247.50.83Pass 1-3.9819.717 7.3 3.89 15.20913.352.42.286255.90.44Pass 17.7820.647 8.3 3.57 14.55113.149.12.389245.50.35Pass 1-10.96 19.169 7.3 3.91 15.21213.353.12.286257.30.4
