為什么32.768kHz的晶振封裝這么另類？

當(dāng)電路投板之后，準(zhǔn)備采購(gòu)元器件的時(shí)候，傻眼了。根本就買不著FC135封裝的25MHz的晶振。于是調(diào)試電路的老同志仰天長(zhǎng)嘯。

為什么有些封裝只有32.768kHz的頻率的晶體才有呢？

首先，我們看一張長(zhǎng)圖來(lái)對(duì)比：

我們可以看到32.768kHz的晶體的封裝與其他頻率的封裝幾乎沒(méi)有交集。

那么，有經(jīng)驗(yàn)的朋友有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，兩列晶振的規(guī)律呢？

從身材比例來(lái)說(shuō)，右邊的32.768的封裝有點(diǎn)像姚明，瘦高型；左邊普通晶體的身材像曾志偉，矮胖型。

那么為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象呢？是32.768kHz的晶體有什么特殊之處？

1、晶振的基本原理

振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與LC諧振回路相比，它具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，，具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到10-4~10-11穩(wěn)定度。

基本性能主要是起振蕩作用，可利用其對(duì)某頻率具有的響應(yīng)作用，用來(lái)濾波、選頻網(wǎng)絡(luò)等，石英諧振器相當(dāng)于RLC振蕩電路。

石英晶體俗稱水晶，是一種化學(xué)成分為二氧化硅（SiO2）的六角錐形結(jié)晶體，比較堅(jiān)硬。它有三個(gè)相互垂直的軸，且各向異性：縱向Z軸稱為光軸，經(jīng)過(guò)六棱柱棱線并垂直于Z軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時(shí)垂直的Y軸（垂直于棱面）稱為機(jī)械軸。

石英晶體之所以可以作為諧振器，是由于它具有正（機(jī)械能→電能）、反（電能→機(jī)械能）壓電效應(yīng)。

沿石英晶片的電軸或機(jī)械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個(gè)表面產(chǎn)生正、負(fù)電荷，呈現(xiàn)出電壓，其大小與所加力產(chǎn)生的形變成正比；若施加張力，則產(chǎn)生反向電壓，這種現(xiàn)象稱為正電效應(yīng)。

當(dāng)沿石英晶片的電軸方向加電場(chǎng)，則晶片在電軸和機(jī)械軸方向?qū)⒀由旎驂嚎s，發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱為反壓電效應(yīng)。因此，在晶體兩面三刀端加上交流電壓時(shí)，晶片會(huì)隨電壓的變化產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)又會(huì)在晶片內(nèi)表面產(chǎn)生交變電荷。由于晶體是有彈性的固體，對(duì)于某一振動(dòng)方式，有一個(gè)固有的機(jī)械諧振頻率。當(dāng)外加交流電壓等于晶片的固有機(jī)械諧振頻率時(shí)，晶片的機(jī)械振動(dòng)幅度最大，流過(guò)晶片的電流最大，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。石英晶片的共振具有多諧性，即除可以基頻共振外，還可以諧頻共振，通常把利用晶片的基頻共振的諧振器，利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，一般能利用的是3、5、7之類的奇次泛音。晶片的振動(dòng)頻率與厚度成反比，工作頻率越高，要求晶片越?。ǔ叽缭酱?，頻率越低），這樣的晶片其機(jī)械強(qiáng)度就越差，加工越困難，而且容易振碎，因此在工作頻率較高時(shí)常采用泛音晶體。一般地，在工作頻率小于20MHZ時(shí)采用基頻晶體，在工作頻率大于20MHZ時(shí)采用泛音晶體。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），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。

晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。

如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000 MHz以上，也有的沒(méi)有標(biāo)稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。

標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達(dá)到一般電器的要求，對(duì)于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級(jí)到10^(-10)量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д?，因不同性能的晶振其價(jià)格不同，要求越高價(jià)格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。

晶振不振蕩時(shí)，可以看成是一平板電容器C0，他和晶體的幾何尺寸和電極面積有關(guān)，值在幾PF到幾十PF之間。晶振的機(jī)械振動(dòng)的慣性使用電感L來(lái)等效，一般為10－3－102H之間，晶片的彈性以電容C1來(lái)等效，L、C的具體數(shù)值與切割方式，晶片和電極的尺寸，形狀等有關(guān)。

標(biāo)稱頻率（FL），負(fù)載電容（CL）、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等

晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能

Fs：晶體本身固有的頻率，和晶體的切割方式、晶體厚度、晶體電極的等效厚度

F＝2560/t(BT) F=1670/t(AT)

2、音叉結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，晶振是晶體諧振器和晶體振蕩器的統(tǒng)稱，諧振器有分陶瓷諧振器和石英諧振器,石英諧振器可以分插件晶振和貼片晶振，而插件晶振也通常被稱之為音叉晶體和晶振,因插件表晶石英晶片外型類似音叉的形狀，所以叫音叉晶振，音叉的頻率都是以千赫為單位。插件晶振中較為普遍存在的體積有3*8,2*6,應(yīng)用最多的晶振頻率為32.768KHZ。2011年全球音叉類晶振產(chǎn)量超過(guò)100億只，產(chǎn)值約15億美元。同年，中國(guó)音叉晶振產(chǎn)量超過(guò)40億只，產(chǎn)量約占全球40%。即使多高端的電子產(chǎn)品也始終離不開(kāi)這個(gè)連2毛錢都不到的音叉晶振.iPhone 也不例外.

和蘋(píng)果公司合作,是多少零器件廠家競(jìng)爭(zhēng)的目標(biāo).手機(jī)中的零器件,晶振和聲表面濾波器,32.768K表晶是不可或缺的部分.iPhone 5中有5款石英晶振,其中就有兩款音叉晶振.通常我們認(rèn)為32.768K晶振只能應(yīng)用到一些低端電子產(chǎn)品,實(shí)際上這是一種錯(cuò)誤的說(shuō)法,絕大多數(shù)涉及數(shù)據(jù)處理的電子產(chǎn)品都需要晶振元件為其提供時(shí)鐘頻率，否則便無(wú)法啟動(dòng)或者有效工作由此可見(jiàn)晶振尤其是音叉晶振是電子產(chǎn)品中十分重要的元件。

音叉晶振應(yīng)用領(lǐng)域包括鐘表及表芯、手機(jī)、平板電腦、微型計(jì)算機(jī)、計(jì)算器、家電自動(dòng)控制和工業(yè)自動(dòng)控制等。目前，中國(guó)音叉晶振下游應(yīng)用市場(chǎng)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，帶動(dòng)音叉晶振需求增長(zhǎng)。2011年，中國(guó)石英鐘表機(jī)芯產(chǎn)量19億只，需要市場(chǎng)供應(yīng)19億只音叉表晶，是音叉晶體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一;中國(guó)手機(jī)產(chǎn)量11.3億部，至少增加17億顆音叉晶振需求，對(duì)音叉晶振行業(yè)帶動(dòng)較大;消費(fèi)電子和微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)也是音叉晶振的主要應(yīng)用市場(chǎng)。相對(duì)于陶瓷晶振來(lái)說(shuō)應(yīng)用到手機(jī)方面極為少數(shù)，只有部分普通電話機(jī)才會(huì)用的上陶瓷晶振系列，2011年中國(guó)消費(fèi)電子(不包括手機(jī))產(chǎn)量達(dá)到16.6億套(臺(tái))，微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)量為3.2億臺(tái)，這兩個(gè)領(lǐng)域?qū)σ舨婢д竦男枨蠹s20億只。

隨著技術(shù)的進(jìn)步以及市場(chǎng)應(yīng)用的變化，音叉晶振呈現(xiàn)先小型化、高精度、低功耗的發(fā)展趨勢(shì),以愛(ài)普生晶振C-001RX，C-002RX，C-004，C-005，精工晶振VT-200-F，VT-150-F，VT-120-F,西鐵城晶振CFS206，CFS145，CFS308,KDS晶振DT-26，DT-38,日本四大石英晶振知名廠商為首,音叉晶振在任何有時(shí)間顯示的地方都會(huì)有存在,以愛(ài)普生晶振,西鐵城晶振.精工晶振,KDS晶振每年銷量領(lǐng)先,四大日產(chǎn)知名品牌是眾多消費(fèi)者的選擇. 而上海唐輝電子是日本大真空株式會(huì)社在中國(guó)的指定代理商，唐輝電子在PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、PTC熱敏電阻、晶體諧振器、振蕩器系列、高品質(zhì)電容、電感和液晶屏產(chǎn)品、IC類等領(lǐng)域有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。TH02157153998產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在通信、電腦、消費(fèi)類電子及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、儀器儀表、工控系統(tǒng)、安防產(chǎn)品、電源供應(yīng)器等產(chǎn)品上積極面對(duì)市場(chǎng)及客戶的多方位要求，堅(jiān)持以最好的品牌和最具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格銷售電子零件，為客戶提供多元化的服務(wù)，務(wù)求充分滿足客戶的要求致力于成為中國(guó)乃至世界最佳元器件供應(yīng)商之一。

首先，音叉晶振向小型化、薄片化和片式化發(fā)展的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。近幾年，晶振下游應(yīng)用終端出現(xiàn)向小型化、輕薄化的發(fā)展趨勢(shì)。作為電子產(chǎn)品的重要元件，石英晶振也必須向小型化、薄片化和片式化發(fā)展。例如，iPhone 5厚度僅為7.6毫米，其使用的兩顆音叉晶振是高度小型化、薄片化和片式化的高品質(zhì)產(chǎn)品。從過(guò)去的20年中可以看出，晶振產(chǎn)品體積從約150立方毫米縮小到約0.75立方毫米，急劇下降到最初的1/200，小型化在不斷進(jìn)展。而現(xiàn)在越來(lái)越高端的數(shù)碼產(chǎn)品都采用了有源晶振，有源音叉石英晶體振蕩器等產(chǎn)品。

其次，音叉晶振向更高精度與更高穩(wěn)定度方向發(fā)展，從而演變成為有源晶振產(chǎn)品系列，低功耗也成為音叉晶振重要發(fā)展趨勢(shì)。電子產(chǎn)品如移動(dòng)終端小型化、薄片化的同時(shí)，功能也逐漸增多，導(dǎo)致耗電量急劇增加。然而，自1992年索尼發(fā)布鋰離子電池至今，電池領(lǐng)域還沒(méi)有出現(xiàn)全新顛覆式的技術(shù)突破。因此，減少硬件能耗成為延長(zhǎng)電子設(shè)備續(xù)航時(shí)間的現(xiàn)實(shí)選擇。作為電子產(chǎn)品的重要元件，音叉晶振也需要向低功耗方向發(fā)展。石英晶振逐漸小型化、薄片化和片式化，為其提高精度和穩(wěn)定度提出更大挑戰(zhàn)。在看重小型化,薄片化的基礎(chǔ)上,人們更加看重的是焊接方便簡(jiǎn)單和節(jié)省更多的時(shí)間.因此,貼片晶振在壓電晶體世界中也成為搶手的一部分,只是,在選擇貼片晶振代替音叉晶振的時(shí)候,我們應(yīng)當(dāng)考慮其價(jià)格.

3、不通切片方式的頻率范圍不通。

晶片切割:

晶振中最重要的組成部分為水晶振子,它是由水晶晶體按一定的法則切割而成的,又稱晶片.

常用晶片的形狀有三種:圓形,方形,SMT專用(方形,但比較小)

晶片的切割可分為AT-CUT,BT-CUT, CT-CUT, DT-CUT, FT-CUT, XT-CUT, YT-CUT,如圖7所示.它是以光軸(Z軸)為參考而命名,每種切法對(duì)應(yīng)一個(gè)角度.采用何種切法應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定,如對(duì)溫度特性要求較好則應(yīng)采用AT-CUT,如果對(duì)晶振要求的頻率較高時(shí)則采用BT-CUT.晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等決定了晶振的頻率.

4、音叉結(jié)構(gòu)與其他晶振的尺寸對(duì)比

這是本人實(shí)際拆開(kāi)32.768kHz晶體，拍照，給大家看一下，音叉結(jié)構(gòu)。

我們可以看到其與一般晶振的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比

同時(shí)，我們還可以注意一下音叉結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的頻率范圍：3–85 kHz；所以我們的MCU、CPU等高速芯片用的晶體的頻率都在1MHz以上，這也就是為什么主晶體的封裝與32.768kHz的封裝一般都不一樣的原因了。

音叉結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，而如果內(nèi)部是音叉結(jié)構(gòu)，其外殼往往也就是姚明的形狀，瘦長(zhǎng)型。而高頻的晶體的切割方式，不可能是音叉結(jié)構(gòu)！

審核編輯 ：李倩