晶振電路知識講解之晶體參數(shù)詳解

1. 晶振與晶體的區(qū)別

1)晶振是有源晶振的簡稱，又叫振蕩器。英文名稱是oscillator。晶體則是無源晶振的簡稱，也叫諧振器。英文名稱是crystal. 2) 晶體（無源）一般是直插兩個腳的無極性元件，需要借助時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號。常見的有49U、49S封裝。 3) 晶振（有源）一般是表貼四個腳的封裝，內(nèi)部有時鐘電路，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號。一般分7050、5032、3225、2520幾種封裝形式。

2. MEMS硅晶振與石英晶振區(qū)別 MEMS硅晶振采用硅為原材料，采用先進的半導體工藝制造而成。因此在高性能與低成本方面，有明顯于石英的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下方面： 1) 全自動化半導體工藝（芯片級），無氣密性問題，永不停振。 2) 內(nèi)部包含溫補電路，無溫漂，-40—85℃全溫保證。 3) 平均無故障工作時間5億小時。 4) 抗震性能25倍于石英振蕩器。 5) 支持1-800MHZ任一頻點，精確致小數(shù)點后5位輸出。 6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多種工作電壓匹配。 7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各種精度匹配。 8) 支持7050、5032、3225、2520所有標準尺寸封裝。 9) 標準四腳、六腳封裝，無需任何設計改動，直接替代石英振蕩器。 10) 支持差分輸出、單端輸出、壓控（VCXO）、溫補(TCXO)等產(chǎn)品種類。 11) 300%的市場增長率，三年內(nèi)有望替代80%以上的石英振蕩器市場。

3. 晶體諧振器的等效電路

上圖是一個在諧振頻率附近有與晶體諧振器具有相同阻抗特性的簡化電路。其中：C1為動態(tài)電容也稱等效串聯(lián)電容；L1為動態(tài)電感也稱等效串聯(lián)電感；R1為動態(tài)電阻也稱等效串聯(lián)電阻；C0為靜態(tài)電容也稱等效并聯(lián)電容。

這個等效電路中有兩個最有用的零相位頻率，其中一個是諧振頻率(Fr)，另一個是反諧振頻率(Fa)。當晶體元件實際應用于振蕩電路中時，它一般還會與一負載電容相聯(lián)接，共同作用使晶體工作于Fr和Fa之間的某個頻率，這個頻率由振蕩電路的相位和有效電抗確定，通過改變電路的電抗條件，就可以在有限的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)晶體頻率。

4. 關(guān)鍵參數(shù)

4.1 標稱頻率

指晶體元件規(guī)范中所指定的頻率，也即用戶在電路設計和元件選購時所希望的理想工作頻率。

4.2 調(diào)整頻差

基準溫度時，工作頻率相對于標稱頻率的最大允許偏離。常用ppm表示

如果ppm換算成百分號“%”為：1ppm=0.0001%。

但在大多數(shù)科技期刊中，已經(jīng)不使用ppm，而改用千分號“‰”，ppm換算成‰為：1ppm=0.001‰。

ppm是指part per million，同理b,t分別表示billion和trillion。

即1ppm=10^-6數(shù)量級,類似的還有ppb,ppt等,分別是-9次和-12次。

4.3 溫度頻差在整個溫度范圍內(nèi)工作頻率相對于基準溫度時工作頻率的允許偏離。常用ppm表示。

4.4 老化率 指在規(guī)定條件下，由于時間所引起的頻率漂移。這一指標對精密晶體是必要的，但它“沒有明確的試驗條件，而是由制造商通過對所有產(chǎn)品有計劃抽驗進行連續(xù)監(jiān)督的，某些晶體元件可能比規(guī)定的水平要差，這是允許的”（根據(jù)IEC的公告）。老化問題的最好解決方法只能靠制造商和用戶之間的密切協(xié)商。

4.5 諧振電阻（Rr）指晶體元件在諧振頻率處的等效電阻，當不考慮C0的作用，也近似等于所謂晶體的動態(tài)電阻R1或稱等效串聯(lián)電阻(ESR)。這個參數(shù)控制著晶體元件的品質(zhì)因數(shù)，還決定所應用電路中的晶體振蕩電平，因而影響晶體的穩(wěn)定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶體元件的一個重要指標參數(shù)。一般的，對于一給定頻率，選用的晶體盒越小，ESR的平均值可能就越高；絕大多數(shù)情況，在制造過程中并不能預計具體某個晶體元件的電阻值，而只能保證電阻將低于規(guī)范中所給的最大值。

4.6 負載諧振電阻（RL） 指晶體元件與規(guī)定外部電容相串聯(lián)，在負載諧振頻率FL時的電阻。對一給定晶體元體，其負載諧振電阻值取決于和該元件一起工作的負載電容值，串上負載電容后的諧振電阻，總是大于晶體元件本身的諧振電阻。

4.7 負載電容（CL）與晶體元件一起決定負載諧振頻率FL的有效外界電容。晶體元件規(guī)范中的CL是一個測試條件也是一個使用條件，這個值可在用戶具體使用時根據(jù)情況作適當調(diào)整，來微調(diào)FL的實際工作頻率（也即晶體的制造公差可調(diào)整）。但它有一個合適值，否則會給振蕩電路帶來惡化，其值通常采用10pF、15pF 、20pF、30pF、50pF、∝等，其中當CL標為∝時表示其應用在串聯(lián)諧振型電路中，不要再加負載電容，并且工作頻率就是晶體的（串聯(lián)）諧振頻率Fr。用戶應當注意，對于某些晶體（包括不封裝的振子應用），在某一生產(chǎn)規(guī)范既定的負載電容下（特別是小負載電容時），±0.5pF的電路實際電容的偏差就能產(chǎn)生±10×10-6的頻率誤差。因此，負載電容是一個非常重要的訂貨規(guī)范指標。

4.8 靜態(tài)電容（C0）等效電路靜態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積、晶片厚度和晶片加工工藝。

4.9 動態(tài)電容（C1） 等效電路中動態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積，另外還和晶片平行度、微調(diào)量的大小有關(guān)。

4.10 動態(tài)電感（L1）等效電路中動態(tài)臂里的電感。動態(tài)電感與動態(tài)電容是一對相關(guān)量。

4.11 諧振頻率（Fr） 指在規(guī)定條件下，晶體元件電氣阻抗為電阻性的兩個頻率中較低的一個頻率。根據(jù)等效電路，當不考慮C0的作用，F(xiàn)r由C1和L1決定，近似等于所謂串聯(lián)（支路）諧振頻率（Fs）。這一頻率是晶體的自然諧振頻率，它在高穩(wěn)晶振的設計中，是作為使晶振穩(wěn)定工作于標稱頻率、確定頻率調(diào)整范圍、設置頻率微調(diào)裝置等要求時的設計參數(shù)。

4.12 負載諧振頻率（FL）

指在規(guī)定條件下，晶體元件與一負載電容串聯(lián)或并聯(lián)，其組合阻抗呈現(xiàn)為電阻性時兩個頻率中的一個頻率。在串聯(lián)負載電容時，F(xiàn)L是兩個頻率中較低的那個頻率；在并聯(lián)負載電容時，F(xiàn)L則是其中較高的那個頻率。對于某一給定的負載電容值(CL)，就實際效果，這兩個頻率是相同的；而且這一頻率是晶體的絕大多數(shù)應用時，在電路中所表現(xiàn)的實際頻率，也是制造廠商為滿足用戶對產(chǎn)品符合標稱頻率要求的測試指標參數(shù)。

4.13 品質(zhì)因數(shù)（Q）品質(zhì)因數(shù)又稱機械Q值，它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù)，它與L1和C1有如下關(guān)系： Q=wL1/R1=1/wR1C1 如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且還會導致頻率不穩(wěn)定。反之Q值越高，頻率越穩(wěn)定。

4.14 激勵電平（Level of drive） 是一種用耗散功率表示的，施加于晶體元件的激勵條件的量度。所有晶體元件的頻率和電阻都在一定程度上隨激勵電平的變化而變化，這稱為激勵電平相關(guān)性（DLD），因此訂貨規(guī)范中的激勵電平須是晶體實際應用電路中的激勵電平。正因為晶體元件固有的激勵電平相關(guān)性的特性，用戶在振蕩電路設計和晶體使用時，必須注意和保證不出現(xiàn)激勵電平過低而起振不良或過度激勵頻率異常的現(xiàn)象。

4.15 激勵電平相關(guān)性（DLD）由于壓電效應，激勵電平強迫諧振子產(chǎn)生機械振蕩，在這個過程中，加速度功轉(zhuǎn)化為動能和彈性能，功耗轉(zhuǎn)化為熱。后者的轉(zhuǎn)換是由于石英諧振子的內(nèi)部和外部的摩擦所造成的。摩擦損耗與振動質(zhì)點的速度有關(guān)，當震蕩不再是線性的，或當石英振子內(nèi)部或其表面及安裝點的拉伸或應變、位移或加速度達到臨界時，摩擦損耗將增加。因而引起頻率和電阻的變化。 加工過程中造成DLD不良的主要原因如下，其結(jié)果可能是不能起振： 1) 諧振子表面存在微粒污染。主要產(chǎn)生原因為生產(chǎn)環(huán)境不潔凈或非法接觸晶片表面；2) 諧振子的機械損傷。主要產(chǎn)生原因為研磨過程中產(chǎn)生的劃痕。 3) 電極中存在微?；蜚y球。主要產(chǎn)生原因為真空室不潔凈和鍍膜速率不合適。 4) 裝架是電極接觸不良； 5) 支架、電極和石英片之間存在機械應力。

4.16 DLD2(單位：歐姆)

不同激勵電平下的負載諧振電阻的最大值與最小值之間的差值。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

4.17 RLD2(單位：歐姆)

不同激勵電平下的負載諧振電阻的平均值<與諧振電阻Rr的值比較接近，但要大一些>。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

4.18 寄生響應 所有晶體元件除了主響應（需要的頻率）之外，還有其它的頻率響應。減弱寄生響應的辦法是改變晶片的幾何尺寸、電極，以及晶片加工工藝，但是同時會改變晶體的動、靜態(tài)參數(shù)。 寄生響應的測量 1) SPDB 用DB表示Fr的幅度與最大寄生幅度的差值；

2)SPUR 在最大寄生處的電阻；3) SPFR 最小電阻寄生與諧振頻率的距離，用Hz或ppm表示。

5. 晶體振蕩器的分類

5.1 Package石英振蕩器（SPXO）

不施以溫度控制及溫度補償?shù)氖⒄袷幤?。頻率溫度特性依靠石英振蕩晶體本身的穩(wěn)定性。5.2 溫度補償石英振蕩器（TCXO） 附加溫度補償回路，減少其頻率因周圍溫度變動而變化之石英振蕩器。

5.3 電壓控制石英振蕩器（VCXO）

控制外來的電壓，使輸出頻率能夠變化或調(diào)變的石英振蕩器。5.4 恒溫槽式石英振蕩器（OCXO）

以恒溫槽保持石英振蕩器或石英振蕩晶體在一定溫度，控制其輸出頻率在周圍溫度下也能保持極小變化量之石英振蕩器。

除了以上四種振蕩器外，隨著PLL、Digital、Memory技術(shù)的應用，其他功能的多元化石英振蕩器也快速增加。