晶振片知识
晶振片知识
一﹑什么是晶振片？
薄薄圆圆的晶振片，来源于多面体石英棒，先被切成闪闪发光的六面体棒，再经过反复
的切割和研磨，石英棒最终被做成一堆薄薄的（厚0.23mm ，直径13.98mm ）圆片，每个圆片经切边，抛光和清洗，最后镀上金属电极（正面全镀，背面镀上钥匙孔形），经过检测，包装就可以出厂使用。
Inficon 晶振片及包装盒
然而，这样的小薄片是如何工作的？科学家最早发现一些晶体材料，如石英，经挤压就
象电池可产生电流（俗称压电性），相反，如果一个电池接到压电晶体上，晶体就会压缩或伸展，如果将电流连续不断的快速开关，晶体就会振动。
在1950年，德国科学家GEORGE SAUERBREY 研究发现，如果在晶体的表面上镀一层薄膜，则晶体的振动就会减弱，而且还发现这种振动或频率的减少，是由薄膜的厚度和密度决定的，利用非常精密的电子设备，每秒钟可能多次测试振动，从而实现对晶体镀膜厚度和邻近基体薄膜厚度的实时监控。从此，膜厚控制仪就诞生了。
Inficon 膜厚控制仪(thin film deposition controller)
二﹑膜厚控制仪是如何测试厚度的？
一台镀膜设备往往同时配有石英晶体振荡监控法和光学膜厚监控法两套监控系统，两者
相互补充以实现薄膜生产过程中工艺参数的准确性和重复性，提高产品的合格率。
原理和精度﹕
石英晶体法监控膜厚，主要是利用了石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应。 石英晶体是离子型的晶体，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变形时，例如拉伸
或压缩时能产生电极化现象，称为压电现象。石英晶体在9.8×104Pa 的压强下，承受压力的两个表面上出现正负电荷，产生约0.5V 的电位差。压电现象有逆现象，即石英晶体在电场中晶体的大小会发生变化，伸长或缩短，这种现象称为电致伸缩。
石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸，切割类型，而且还取决于芯片的
厚度。当芯片上镀了某种膜层，使芯片的厚度增大，则芯片的固有频率会相应的衰减。石英晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而监控淀积薄膜的厚度。
用于石英膜厚监控用的石英芯片采用AT 切割，对于旋光率为右旋晶体，所谓AT 切割即为
切割面通过或平行于电轴且与光轴成顺时针的特定夹角。AT 切割的晶体片其振动频率对质量的变化极其灵敏，但却不敏感于温度的变化，在-40~90℃的整个温度范围内，温度系数大约是±10-6/℃数量级。这些特性使AT 切割的石英晶体片更适合于薄膜淀积中的膜厚监控。
AT 切割的石英芯片压电效应的固有谐振频率f 为﹕
1/2
2Q n c f d ρ??=???? (1) 其中，n ﹕谐波数﹐n=1，3，5，… …﹔
d Q ﹕石英晶体的厚度﹔
c ﹕切变弹性系数﹔
ρ﹕石英晶体的密度(2.65×103kg/m 3)
显然谐振频率f 与d Q 、c 、ρ等量有直接关系。由于很多的外界影响，比如晶体温度、温度梯度、激发电场等都会影响到谐振频率，这是因为上述的因素会影响到d Q 、c 、ρ等参量值。 对于我们常用的基波(n=1)来说(1)式可以化为﹕
f=N/d Q (2) 其中，N=0.5(c/ρ)1/2=1670Hz ．mm(AT 切割) ，称为晶体的频率常数，d Q 为晶体的厚度。 对(2)式微分得﹕
2Q Q
N f d d Δ=?Δ (3) 上式的物理意义是，若厚度为d Q 的石英晶体增加厚度⊿d Q ，则晶体的振动频率变化了⊿f ，式中的负号表示晶体的频率随着膜厚的增加而降低。然而在实际镀膜时，淀积的是各种膜料，而不都是石英晶体材料。所以我们需要把石英晶体厚度增量⊿d Q 通过质量变换表示成为膜层厚度增量⊿d m 。即﹕
⊿d Q =(ρm /ρQ ) ．⊿d m (4) 其中﹕ρm 为膜层的密度﹔
ρQ ﹕石英晶体的密度(2.65×103kg/m 3)
把(4)式代入(3)式中，有﹕
2
2m m m Q Q Q N f m f d d N
ρρρρΔ=?Δ=?Δi i i d (5) 令2
m Q f s N
ρρ?=i ﹐则 m f s d Δ=Δi 或 ()1/m d s f Δ=Δ (6) 式中s 称为变换灵敏度。
对于某一种确定的镀膜材料，ρm 为常数，在膜层不很厚，即淀积的膜层质量远小于石英芯片质量时，固有频率变化不会很大。这样我们可以近似地把s 看成为常数，于是由(6)式表达的石英晶体频率的变化⊿f 与淀积薄膜厚度⊿d m 就有了一个线性关系。因此我们可以借助检测石英晶体固有频率的变化，实现对膜厚的监控。显然这里有一个明显的好处，随着镀膜时膜层厚度的增加，频率单调地线性下降，不会出现光学监控系统中控制信号的起伏，并且很容易进行微分得到淀积速率的信号。因此，在光学监控膜厚时，还得用石英晶体法来监控淀积速率，我们知道淀积速率稳定对膜材折射率的稳定性、产品的均匀性重复性等是很有好处和有力的保证。
最早的石英晶体膜厚监控仪就是直接用频率来读数，用频差对应厚度的。后来在数字电路发展的基础上，人们采用了所谓周期法测厚原理。公式(5)中的f 2，严格一点应该表示为f 2=f Q ．f m ，这样(6)经过简单变换可以写为﹕
()1m Q Q Q
T T T d N m ρρΔ=?=?
Δi (7) 其中，T ﹕有载石英晶体振荡周期﹔
T Q ﹕空载石英晶体振荡周期。
如果仪器可以精确地测量石英晶体振荡周期的变化，那幺便能准确地得到膜厚。
无论是频率法恻厚，还是周期法测厚，遵循的公式都是在假定淀积的膜层没有改变石英晶体振荡模式条件下推导出来的，而实际上膜层的淀积已经改变了石英本身的振动模式，由单一材料的振动模式，变为两种材料的混合振动模式。考虑到石英晶体被膜层淀积后变成混合振动模式，推导了如下计算膜厚的公式﹕
()()()()1///1m Q m Q m Q Q m Q d N T Z Z tg Z Z tg ρρππ?Δ=??????/T T (8) 其中，Z m ﹕淀积膜层的声阻抗(单位 g/cm 3．S)﹔
Z Q ﹕石英晶体的声阻抗(单位 g/cm 3．S)。
这个公式比较完整和比较精确地体现了膜层厚度与石英晶体振荡周期变化之间的关系。根据这个公式设计的石英晶体膜厚控制仪常称为声阻抗法测厚仪。
石英晶体膜厚控制仪有非常高的灵敏度，可以做到埃()数量级，显然晶体的基频越高，控制的灵敏度也越高，但基频过高时，晶体片会做得太薄，太薄的芯片易碎。所以一般选用的晶体片的频率范围为5~10MHz 。在淀积过程中，基频最大下降允许2~3%，大约几百千赫。基频下降太多，振荡器不能稳定工作﹐产生跳频现象。如果此时继续淀积膜层，就会出现停振。为了保证振荡稳定和有高的灵敏度，晶体上膜层镀到一定厚度以后，就应该更换新的晶振片。旧的晶振片在清洗后复新可以再用。另外由(6)式可知，频率和膜厚之间的变换灵敏度取决于f A o
2，但是f 在膜层淀积过程中是随膜厚的增加而降低的，所以在镀膜的过程中s 不是一个严格的常数，⊿f 与⊿dm 在理论上也不是一个严格的线性关系，随着膜层累积频率变化的增加，⊿f 与⊿dm 的线性也在变坏，这就需要我们应用石英晶体膜厚控制仪时要考虑修正。预先计算好修正值再镀制。如果膜层比较厚，可以分几次做，或预先计算修正值，这种情况一般只有在红外光谱区才会遇到。
石英晶体监控膜厚的检测误差由绝对误差和相对误差相加而成。绝对误差决定于监控仪的频率稳定度和检测精度，而相对误差决定于监控仪灵敏度和准确性。一台石英晶体膜厚控制仪在使用中真正获得的监控精度还和使用的条件有密切联系。蒸发的薄膜的密度与固体材料的密度是不同的，薄膜的密度又与蒸发条件有关﹐实际膜层的密度可以用填充密度修正。同时淀积在芯片上膜层的密度、膜层的折射率与镀件上膜层的密度和折射率是不同的﹐这些数据都需要通过实验进行修正，而修正后的数据只有在相同的淀积条件下应用才是有确实依据的。这就是如果只采用石英晶体法监控膜厚进行镀膜时要在Tooling 系数修正上花费较多时间与精力，并且不同产品的Tooling 系数亦不相同。
关于采用石英晶体法监控膜厚进行镀膜﹐本人总结出以下三个步骤﹐供参考﹕
a.理论膜系设计满足Spec.要求，同时设计要有足够之余量及合理性以达到可行性﹔
b.波长定位准确，并初具曲线形状﹔
c. Matching 镀制曲线和设计曲线，修改Tooling 系数达到Spec.要求。
膜厚控制仪原理﹕
把晶振片放入真空室内的探头中，唯一显示晶振片正在工作的是膜厚控制仪。膜厚控制仪是如何工作的呢？
膜厚控制仪用电子组件引起晶振片的高速振动，约每秒6百万次（6MHz ），镀膜时，测试每秒钟振动次数的改变，从所接受的数据中计算膜层的厚度。绝大数晶振片一秒钟可以完成多次这样的计算，实时告知操作人员晶振片上和真空室内基体膜层沉积速度。
为了确保晶振片以6MHz 的速度振动，在真空室外装有“振荡器”，与晶控仪和探头接口连接，振荡器通过迅速改变给晶振片的电流使晶振片高速振动。一个电子信号被送回晶控仪。
晶控仪中的电路收到电子信号后，计算晶振片的每秒振速。这个信息接着传送到一个微处理器，计算信息并将结果显示在晶控仪上：
1）沉积速率(Rate)（埃/秒）
2）已沉积的膜厚 (Thickness) （埃）
3）晶振片的寿命 (Life) (%)
4）总的镀膜时间(Time) （秒）
更加精密的设备可能显示沉积速率与时间的曲线和薄膜的类型。我们可以将许多参数输入晶振仪以保证测量和镀膜过程的精确控制：
1）薄膜序号，用于输入膜层或定义材料参数
2）目标膜厚或最大沉积速率
3）镀膜时间
4）薄膜密度(DENS)
5）校正系数(Tooling)，用于校正晶振片或基片位置产生的误差
6）Z-Factor 值（只有当膜厚>10000A 时才需要Z 值，以校正膜层太厚对晶振片振动的影
响，在绝大多数光学镀膜中，“Z”值输入值为1）。
频率变化与质量增加薄膜厚度关系式﹕
()()()f f Nq Dq Fq Fc A arcTan Z Tan Fq D Z Fc ππ??????=?????????????
i i i i i i i A f ---薄膜厚度，单位埃()
o
A N q ---A t 切割晶体频率常数，1.668×1013赫兹．埃(Hz ．)
o A
D q ---石英密度，2.648gm/cm π---常数，3.14159265358979324
D f ---膜材密度， 单位gm/cm 3
Z---材料Z 系数
F q ---欲镀膜的石英晶体的频率，该值可由制造控制
F c ---已镀的晶体频率
靠量测接近1.2百万循环的振荡信号周期和稳定的超高频率的参考时钟，获得一个极其精确的频率值f c ，每秒四次产生一个新值并且更新上面的公式。
密度测定:
使用块状材料的密度值通常可以提供足够的薄膜厚度精度，如果需要额外的精度，则使用下面的步骤得之。
使用一个新的晶振片(目的是消除Z 系数误差)放在基底附近，此举是获得同样的蒸镀束流，将仪器密度设为材料的块状值，设置Z 系数为1，Tooling 系数为100%.镀5000埃膜材在晶振片和基底上，蒸镀完成后取下基底用剖面仪(台阶仪)或多束干涉仪量测厚度。则正确的密度由下式得之﹕
密度D(gm/cc)=密度参数(块状密度)×晶控读数÷基底量测厚度
Z 系数测定:
Z 系数由下式计算﹕
Z-Factor(Z 系数
D q ---石英密度 U q ---石英模数 D f ---薄膜密度 U f ---薄膜模数
Tooling 测定:
放一基底(测试片)在伞具的通常位置然后用块状或已校正过的密度和Z 系数值蒸镀接近5000埃的厚度，确认当做Tooling 校正时Tooling 被设置为100%.在密度校正方式量测基底薄膜厚度，则用下面的公式得到正确的Tooling 值。
Tooling%=100%×基底厚度(测试片膜厚)/显示厚度(石英显示膜厚)
探头Sensor 高于伞具Tooling>100%﹐低于伞具Tooling<100%
三﹑使用晶振片的注意事项
毫无疑问，晶振片是所发明的最敏感的电子组件。用作镀膜的时候，晶振片可以测量到膜厚0.000000000001克重的变化，这相当于1原子（atom ）膜厚，而且，晶振片对温度也很敏感，对1/100摄氏温度的变化也能感知。另外，晶振片对应力的敏感也很大，在一些特别的镀膜过程中可以感知已镀膜的晶振片冷却后膜层原子的变化。
对于这种对应力如此敏感的芯片，而且大规模用于光学镜片的镀膜，我们肯定要问“那他们如何工作”。对常用MgF 2增透膜﹐300度时膜硬度是平时的2倍，冷却时会产生巨大的应力，
我们会常常遇到这样的情况，当镀氟化镁一会儿，沉积速率或膜厚会显示不规则的跳跃，镀锆或铬时我们也常常会遇到类似的问题。
四﹑探头的设计和常见问题
为了使晶振片在真空室内工作，必须用一种器件来激活振荡真空室内的晶振片，并只使晶振片一部分被镀膜，而且能使晶振片被方便的更换。另外，这个器件必须屏蔽晶振片，免受镀膜中高温破坏，这个器件就是探头。
现在市场上的探头设计，是将晶振片放入夹具中（一种中间有孔的金属帽）。夹具作为半个电路使晶振片振动。这个孔可使镀在晶振片上膜层直径约7.6mm圆形，晶振片用一个弹簧固定在夹具内，或者弹簧被固定在夹具内四周，压住晶振片的边。另外一种设计，用一个“陶瓷稳定器（Ceramic retainer）”，和镀金的弹簧在中间，压住晶振片的边。
在上述两种设计中，晶振片夹具放入探头中（一个小的金属块），另一个镀金弹簧压住晶振片或稳定器背面，以形成完整的电路。通常，探头中还有一个弹簧以稳定夹具，使夹具和探头成通路。探头的外面是拧入式微点式接头（Mircondot connector），一个电缆（Microcoaxial，内有双线）联结探头和接口（Feedthrough），接口再与振荡器相连，最终联结显示仪。探头有两个细金属管向晶振片提供冷却水。冷却水管可能与探头内的管道相通或者与探头背面弯管相通。但最后总是要与接口连接。
新的探头，装入晶振片容易，大小合适，电接触好，冷却水正常。然而，反复使用以后，系统会损坏，不能或不正常显示数据，常见原因如下：
1）夹具内或探头的接触弹簧断了或过分折弯，造成断路。
2）探头中与电缆的连线断了，造成断路。
3）探头与接头间的电缆断裂或松动，造成断路。
4）冷却水内矿物太多，使水流不畅，探头过热。
五﹑电极对晶振片质量的影响
晶振片的电极对膜厚监控至关重要，目前，市场上提供三种标准电极材料：金、银和合金。
金是最广泛使用的传统材料，它具有低接触电阻，高化学温定性，易于沉积。金最适合于低应力材料，如金，银，铜的膜厚控制。用镀金晶振片监控以上产品，即使频率飘移1MHz，也没有负作用。然而，金电极不易弯曲，会将应力从膜层转移到石英基片上。转移的压力会使晶振片跳频和严重影响质量和稳定性。
银是接近完美的电极材料，有非常低的接触电阻和优良的塑变性。然而，银容易硫化，硫化后的银接触电阻高，降低晶振片上膜层的牢固性。
银铝合金晶振片最近推出一种新型电极材料，适合高应力膜料的镀膜监控，如Si0，Si02，MgF2，Ti02。这些高应力膜层，由于高张力或堆积的引力，经常会使晶振片有不稳定，高应力会使基片变形而导致跳频。
银铝合金通过塑变或流变分散应力，在张力或应力使基体变形前，银铝电极已经释放了这些应力。这使银铝合金晶振片具有更长时间，更稳定的振动。实验室的实验表明镀Si02用
银铝合金晶振片比镀金寿命长400%。
晶振片的电极根据其外观形状分为单锚﹑双锚﹑全双锚，目前使用较多的为双锚电极晶振
片。
六﹑如何选用最合适的晶振片？
镀膜科技日新月异，对于镀膜工程师来说，如何根据不同的镀膜工艺选择最佳的晶振片确实不易。下面建议供大家参考：
1）镀低应力膜料时，选择镀金晶振片
最常见的镀膜是镀Al、Au、Ag、Cu，这些膜层几乎没有应力，在室温下镀膜即可。膜层较软，易划伤，但不会裂开或对基底产生负作用。建议使用镀金晶振片用于上述镀膜，经验证明，可以在镀金晶振片镀60000埃金和50000埃银的厚度。
2）使用镀银或银铝合金镀高应力膜层
Ni、Cr、Mo、Zr、Ni-Cr、Ti、不锈钢这些材料容易产生高应力，膜层容易从晶体基片上剥落或裂开，以致出现速率的突然跳跃或一系列速率的突然不规则正负变动。有时，这些情况可以容忍，但在一些情况下，会对蒸发源的功率控制有不良作用。
3）使用银铝合金晶振片镀介质光学膜
MgF2、SiO2、Al2O3、TiO2膜料由于良好的光学透明区域或折射率特性，被广泛用于光学镀膜，但这些膜料也是最难监控的，只有基底温度大于200度时，这些膜层才会与基底有非常良好的结合力，所以当这些膜料镀在水冷的基底晶振片上，在膜层凝结过程会产生巨大的应力，容易使晶振片在1000埃以内就回失效。
这时候，选用合金晶振片将是最好的选择，将大大减少调频机会。实验室显示，使用合金晶振片监视氟化镁，有效寿命比镀金的长100%。如果把冷却水的温度从20度提高到50度，晶振片的寿命更可以再延长一倍。
七﹑晶振片的安装及注意事项与技巧
随着镀膜规格指标的需求日益严格，单靠光控已经难以达到要求，晶振控制成为镀膜必
备的辅助或控制方法﹐如何正确有效地使用晶振片成为保证镀膜质量的重点。所以为了使晶振
片寿命最长，下面一些方法和技巧供您参考：
1.总是用摄子来挟住晶振片的边缘，不要碰晶振片中心，因为晶振片振动的活跃中心，任何灰层，油污都会降低晶振片的振动能力。新的晶振片使用之前应在酒精(分析纯即可)中浸泡1分钟左右，之后用塑料镊子夹取并用无尘纸或洁净的绸布将酒精擦拭干净，同时用蘸有酒精的无尘纸或绸布将晶振座擦拭干净，组装晶振片之前用吹气球将晶振片、晶振座及探
头的接触弹簧上可能残留的灰尘、纸屑等吹掉﹐晶振片装好后再一次用吹气球吹晶振片的表
面，去除散落的灰尘。(有人建议用低压过滤的氮气或不含油的空气吹晶振片的表面，去除散
落的灰尘﹐本人认为吹气球即可﹐方便经济又快捷。)切记不要用手指直接接触晶振片以免留下
油渍。
2.保持晶振片的清洁。不要让镀膜材料的粉末接触晶振片的前后中心位置。任何晶体和夹具之间的颗粒或灰层将影响电子接触，而且会产生应力点，从而改变晶体振动的模式。
3.晶振座经过多次镀膜后其表面会沉积较厚的膜，如果不将其除去，由于离子轰击产生的反溅射会影响晶振片的测试精度。可以先用喷砂或用打砂纸方法将膜层除去，之后用酒精浸泡5分钟左右，如果能用超声波振荡清洗一下，效果会更好，最后再将其放入110℃烤箱中烘烤15分钟，即可使用。
4.保持足够的冷却水使晶振头温度在20-50度。 如果可以将温度误差保持在1-2度范围内，效果更佳。
八﹑晶振片使用维护
晶振片要不要换主要看以下方面：
1.ACT 大小，一般以大于400为标准﹔
2.Life 大小，分增加与减小情况且与所镀产品有关，使用寿命是否到了，一般的使用寿命从99%左右用到90-92%就该换了；
3.Rate DEV 大于10%左右就要换，蒸发速率出现明显异常，此时也该换；
4.表面质量，晶振片的表面明显出现膜脱落或起皮的现象也要换。
5.晶振片的灵敏度随着质量的增加而降低，这样在使用石英晶体监控法（晶控法）进行镀膜控制时会导致随着晶振片的Life 降低而出现镀膜曲线向长波偏移之现象。原因如以下公式得之﹕
()()1tan tan q q q c f c q N D F F d Z D Z F F ππ????????????Δ=??????????????
i i i i i i i Δd ﹕Film thickness ，In angstroms (1=10o A -10m)[薄膜厚度,单位埃()]
o
A Nq ﹕Frequency constant for at cut crystal ，1.668×1013Hz-Ang.[A t 切割晶体频率常数，
1.668×1013赫兹．埃(Hz ．)]
o A Dq ﹕Density of quartz 2.648 g/cm 3[石英密度，2.648gm/cm 3]
π:﹕the constant Pi ，3.14159265[π---常数，3.14159265358979324]
D f ﹕Density of film material in g/cm 3[膜材密度，单位gm/cm 3]
Z ﹕Z-factor of material ， is the square root of the ratio[(d q * u q )/ (d f * u f )]
d q and d f ar
e the density and u q and u
f are the shear moduli of quartz and the film ，
respectively 。These values are available in several materials handbooks 。[材料Z 系数]
Fq﹕Frequency of sensor crystal prior to depositing film material on it。This value is a manufacturing controlled constant。[欲镀膜的石英晶体的频率，该值可由制造控制] Fc﹕Frequency of loaded sensor crystal[已镀的晶体频率]
九﹑晶振片的回收利用
用过的晶振片可以重新利用，主要方法有两种：
1）彻底除去晶振片上的膜层和电极，重新邮回厂家镀上电极。
2）利用金电极不溶于硫酸等强酸的特点，客户自行处理，将晶振片上的膜层除去部分，重新利用。
目前，国内大部分的客户对用完的晶振片自己处理，以节省成本。但使用再处理晶振片时注意以下事项：
1）银铝合金溶于各种酸，不适合再处理。
2）酸祛除晶振片膜层时，必然对基底或外观有一定影响，初始频率也会改变，放入晶控仪中会发现初始读数改变或显示寿命降低，这些不会影响晶振片的基本功能，但晶振片的寿命会大大降低。
晶振片清洗配方: 20%氟化氢铵水溶液，浸泡6小时以上，浸泡后投入酒精擦拭，去水即可十﹑Inficon IC/5晶振座图纸
声明﹕本文为个人搜集参考相关资料和总结自己工作中之使用经验整理而成，仅供与业内人士交流，请勿做任何商业用途，多谢﹗
张玉东
2005年11月05日于中山 E-mail:hackerzyd@https://www.360docs.net/doc/ac5538924.html,
晶振基础知识
晶振基础知识（第一版） 摘要：本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的分类，晶体振荡器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。 一、振荡电路的定义，构成和工作原理 (2) 二. 晶体振荡器分类： (16) 三、石英晶体谐振器主要参数指标 (19) 四、石英晶体振荡器主要参数指标 (20) 五．石英晶体基本生产工艺流程 (26)
一、振荡电路的定义，构成和工作原理 1. 振荡器：不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。 2. 振荡器构成：谐振器（选频或滤波）+驱动（谐振）电路构成振荡器电路。 3. 谐振器的种类有：RC 谐振器，LC 并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐振器，原子谐振器，MEMS （硅）振荡器。本文只讨论石英晶体谐振器。 石英谐振器的结构 石英谐振器，它由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。它的性能与晶片的切割方式、尺寸、电极的设置装架形式，以及加工工艺等有关。其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问题。由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数，因此只有沿某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。 Mounting clips Top view of cover Resonator
普通晶振内部结构 石英晶体振荡器主要由基座、晶片、IC 及外围电路、陶瓷基板（DIP OSC ）、上盖组成。 普通晶体振荡器原理图 胶点 基座 晶片 Bonding 线 IC
4. 振荡电路的振荡条件： （1）振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。 （2）相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。 （3）振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线性电路。 （4）振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。 （5）振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。（6）利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。
选择晶振时要考虑哪些参数
选择晶振时要考虑哪些参数？ 2011-7-19 14:26 提问者：rinkeigun|浏览次数：2555次 谢谢好心人。我想知道的是： 1. 晶振之身的参数（频率等） 2. 与周围的器件（51单片机）有什么关联，影响 3. 构成晶振的元件是什么（如C，Y） 4.哪里有最简单的电路图 我来帮他解答 2011-7-25 14:05 满意回答 1、 晶体谐振器的等效电路 图1是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。 其中：C1为动态电容也称等效串联电容；L1为动态电感也称等效串联电感； R1为动态电阻也称等效串联电阻；C0为静态电容也称等效并联电容。 这个等效电路中有两个最有用的零相位频率，其中一个是谐振频率(Fr)，另一个是反谐振频率(Fa)。当晶体元件实际应用于振荡电路中时，它一般还会与一负载电容相联接，共同作用使晶体工作于Fr和Fa之间的某个频率，这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定，通过改变电路的电抗条件，就可以在有限的范围内调节晶体频率。 2、晶体的频率 晶体在应用的电路中，其电气特性表现较复杂，与其相关的频率指标也有多个，主要的是： a）标称频率（F0） 指晶体元件规范中所指定的频率，也即用户在电路设计和元件选购时所希望的理想工作频率。 b）谐振频率（Fr） 指在规定条件下，晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个频率。根据图1的等效电路，当不考虑C0的作用，Fr由C1和L1决定，近似等于所谓串联（支路）谐振频率（Fs）。 这一频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数。c）负载谐振频率（FL） 指在规定条件下，晶体元件与一负载电容串联或并联，其组合阻抗呈现为电阻性时两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，FL是两个频率中较低的那个频
晶振基础知识
1、晶体元件参数 1.1等效电路 作为一个电气元件，晶体是由一选定的晶片，连同在石英上形成电场能够导电的电极及防护壳罩和内部支架装置所组成。 晶体谐振器的等效电路图见图1。 等效电路由动态参数L 1、C 1、R 1和并电容C 0组成。这些参数之间都是有联系的，一个参数变化时可能会引起其他参数变化。而这些等效电路的参数值跟晶体的切型、振动模式、工作频率及制造商实施的具体设计方案关系极大。 下面的两个等式是工程上常用的近似式： 角频率ω=1/11C L 品质因数Q=ωL 1/R 1 其中 L1为等效动电感，单位mH C1为等效电容，也叫动态电容，单位fF R1为等效电阻，一般叫谐振电阻，单位Ω 图2、图3、图4给出了各种频率范围和各种切型实现参数L 1、C 1、R 1的范围。 图2常用切型晶体的电感范围 图3 常用切型的电容范围 对谐振电阻来说，供应商对同一型号的任何一批中可以有3：1的差别，批和批之间的差别可能会更大。对于一给定的频率，采用的晶体盒越小，则R 1和L 1的平均值可能越高。
1.2 晶体元件的频率， 晶体元件的频率通常与晶体盒 尺寸和振动模式有关。一般晶体尺 寸越小可获得的最低频率越高。晶 体盒的尺寸确定了所容纳的振子的 最大尺寸，在选择产品时应充分考 虑可实现的可能性，超出这个可能 范围，成本会急剧增加或成为不可 能,当频率接近晶体盒下限时,应与 供应商沟通。下表是不同晶体盒可 实现的频率范围。 图4 充有一个大气压力气体 （90%氮、10%氦） 的气密晶体元件的频率、切型和电阻范围 1.3 频差 规定工作温度范围及频率允许偏差。 电路设计人员可能只规定室温频差，但对于在整个工作温度范围内要求给定频差的应 用，除了给定室温下的频差还应给出整个工作温度范围内的频差。给定这个频差时，应充分 考虑设备引起温升的容限。 通常有两种方法规定整个工作温度范围的频差。 1）规定总频差 如从-10℃—+85℃，总频差为±50×10-6，通常这种方法一般用于具有较宽频差而不采
如何选取正确的晶振
一个号的晶体振荡器可以被泛应用到军、民用通信电台，微波通信设备，程控电话交换机，无线电综合测试仪，BP机、移动电话发射台，高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。它具有多种封装类型，最主要的特点是电气性能规范多种多样。它有以下几种不同的类型：电压控制晶体振荡器(VCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、恒温晶体振荡器(OCXO)，以及数字补偿晶体振荡器(MCXO或DTCXO),每种类型都有自己的独特性能。 如果你的设备需要即开即用，您就必须选用VCXO或温补晶振，如果你的要求稳定度在0.5ppm以上，凯越翔建议你选择数字温补晶振(MCXO)。而模拟温补晶振则适用于稳定度要求在5ppm～0.5ppm之间的需求。VCXO只适合于稳定度要求在5ppm以下的产品。如果你的设备在不需要即开即用的环境下，如果需要信号稳定度超过0.1ppm的，可选用OCXO。 从频率稳定性方面考虑：晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性，它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽，器件的价格亦愈高。工业级标准规定的-40～+75℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯，倘若-30～+70℃已经够用，那么就不必去追求更宽的温度范围。所以设计工程师要慎密决定特定应用的实际需要，然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。 晶体老化：造成频率变化的又一重要因素。根据目标产品的预期寿命不同，有多种方法可以减弱这种影响。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化，也就是说在产品使用的第一年，这种现象才最为显著。例如，使用10年以上的晶体，其老化速度大约是第一年的3倍。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况，也可以采用调节的办法解决，比如，可以在控制引脚上施加电压(即增加电压控制功能)等。 与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动，这些指标应该规定出来。对于工业产品，有时还需要提出振动、冲击方面的指标，军用品和宇航设备的要求往往更多，比如压力变化时的容差、受辐射时的容差，等等。 输出：必须考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压特性、负载特性、功耗、封装形式，对于工业产品，有时还要考虑冲击和振动、以及电磁干扰(EMI)。晶体振荡器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。许多DSP和通信芯片组往往需要严格的对称性(45%至55%)和快速的上升和下降时间(小于 5ns)。 相位噪声和抖动：在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中心频率的1Hz之内和通常测量到1MHz。晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。 抖动与相位噪声相关，但是它在时域下测量。以微微秒表示的抖动可用有效值或峰—峰值测出。许多应用，例如通信网络、无线数据传输、ATM和SONET要
好晶振的选择方法
好晶振的选择方法 晶振选型时关心的技术指标： 1.频率：基本参数，选型必须知道的参数。 频率越高一般价格越高。但频率越高，频差越大，从综合角度考虑，一般工程师会选用频率低但稳定的晶振，自己做倍频电路。总之频率的选择是根据需要选择，并不是频率越大就越好。要看具体需求。比如基站中一般用10MHz的OCXO，但由于很好的频率稳定性，属于高端晶振。至于范围，晶振的频率做的太高的话，就会失去意义，因为有其他更好的频率产品代替。 KVG的产品频率范围是：25kHz-1.3G。基本上所有应用中的晶振都可以在KVG产品种找到。 2.频率稳定度：关键参数，KVG的高端晶振可以达到10-9级别。 指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差。用PPm（百万分之一）表示。一般来说，稳定度越高或温度范围越宽，价格越高。对于频率稳定度要求±20ppm 或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于介于±1 至±20ppm 的稳定度，应该考虑TCXO 。对于低于±1ppm 的稳定度，应该考虑OCXO。比如OCXO-3000SC，频稳为+/- 2x10^-9。如果客户有十分特别的频稳要求，KVG可以定制。 3.电源电压： 常用的有3.3V、5V、2.8V等。 KVG的产品2。8V 3。3V 5V都有。其中3.3V应用最广。 4.输出： 根据需要采用不同输出。（HCMOS,SINE,TTL,PECL,LVPECL,LVDS,LVHCMOS等）每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。 KVG产品有些系列有HCMOS/TTL，有些系列有LVPECL/LVDS输出。根据客户需要我们可以帮助客户选型。 5.工作温度范围： 工业级标准规定的-40～+85℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯，倘若-30～+70℃已经够用，那么就不必去追求更宽的温度范围。对于某些特殊场合如航天军用等，对温度有更苛刻的要求。 KVG的产品都用普通和工业级标准，对于军工极KVG也有。军工级一般需要定制，KVG在定制方面有优势。 6.相位噪声和抖动： 相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式，是对短期稳定度的真实度量。振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。但相对的，拥有好的相位噪声和抖动的同时振荡器的设计复杂，体积大，频率低，造价高。 KVG的晶振系列涵盖了各种设计技术，可根据客户要求进行选择。例如V-850采用倍频器（过滤谐波）技术，具有高频，低抖动(<0.1ps rms 12kHz-20MHz)。实际上相位噪声和抖动是短期频率稳定度的度量，所以一般越高端的晶振，即频稳越好的晶振，这些指标也相应越好。KVG可以提供各种档次相位噪声的晶振，
压控晶振原理
压控晶振原理 压控晶体振荡器简介 压控晶体振荡器全称：电压控制晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator)，是一种与晶体谐振器串联插入变容二极管，根据外部加入的电压使二极管的容量发生变化，来达到输出频率可根据晶体谐振器的负载电容特性变化的晶体振荡器。 VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成，其工作原理是通过控制电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈调制的目的。 石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。压控晶体振荡器具有以下特点： (1)低抖动或低相位噪声：由于电路结构、电源噪声以及地噪声等因素的影响，VCO的输出信号并不是一个理想的方波或正弦波，其输出信号存在一定的抖动，转换成频域后可以看出信号中心频率附近也会有较大的能量分布，即是所谓的相位噪声。VCO输出信号的抖动直接影响其他电路的设计，通常希望VCXO的抖动越小越好。 (2)宽调频范围：VCO的调节范围直接影响着整个系统的频率调节范围，通常随着工艺偏差、温度以及电源电压的变化，VCXO的锁定范围也会随着变化，因此要求VCXO有足够宽的调节范围来保证VCXO的输出频率能够满足设计的要求。 (3)稳定的增益：VCO的电压——频率非线性是产生噪声的主要原因之一，同时，这种非线性也会给电路设计带来不确定性，变化的VCXO增益会影响环路参数，从而影响环路的稳定性。因此希望VCXO的增益变化越小越好。 1.频率大小：频率越高一般价格越高。但频率越高，频差越大，从综合角度考虑，一般工程师会选用频率低但稳定的晶振，自己做倍频电路。总之频率的选择是根据需要选择，并不是频率越大就越好。要看具体需求。比如基站中一般用10MHz的恒温晶振（OCXO），因其有很
晶振基础知识
晶振基础知识
晶振基础知识（第一版） 摘要：本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的分类，晶体振荡器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。 一、振荡电路的定义，构成和工作原理 (3) 二. 晶体振荡器分类： (23) 三、石英晶体谐振器主要参数指标 (27) 四、石英晶体振荡器主要参数指标 (30) 五．石英晶体基本生产工艺流程 (43)
一、振荡电路的定义，构成和工作原理 1. 振荡器：不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。 2. 振荡器构成：谐振器（选频或滤波）+驱动（谐振）电路构成振荡器电路。 3. 谐振器的种类有：RC谐振器，LC并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐振器，原子谐振器，MEMS（硅）振荡器。本文只讨论石英晶体谐振器。石英谐振器的结构 石英谐振器，它由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。它的性能与晶片的切割方式、尺寸、电极的设置装架形式，以及加工工艺等有关。其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问题。由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数，因此只有沿某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。
普通晶振内部结构 Base Mounting clips Bonding area Electrodes Quartz blank Cover Seal Pins Top view of cover Metallic electrodes Resonator plate substrate (the “blank”)
晶振的匹配电容选择修订稿
晶振的匹配电容选择 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-
匹配电容是指晶振要正常震荡所需要的电容，一外接电容是为了使晶振两端的等效电容等于或接近于负载电容（晶体的负载电容是已知的，在出厂的时候已经定下来了，一般是几十PF，）。应用时一般在给出负载电容值附近调整可以得到精确频率，此电容的大小主要影响负载谐振频率，一般情况下，增大电容会使振荡频率下降，而减小电容会使振荡频率升高， 晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C] 式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容，一般情况下，Cd、Cg取相同的值并联后等于负载电容是可以满足振荡条件的, 在许可的范围内Cd和Ｃg的值越小越好，电容值偏大会虽然有利于震荡的稳定，但是电容过大会增加起振的时间。如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量, 而增加输出端的值以提高反馈量。 在电路中输出端和输入端之间接了一个大的电阻，这是由于连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器，将输入进行反向180度输出，晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移，整个环路的相移360度，满足振荡的相位条件，同时还要求闭环增益大于等于1，晶体才正常工作。晶振输入输出连接的电阻作用是产生负反馈，保证放大器工作在高增益的线性区，一般在M欧级，输出端的电阻与负载电容组成网络，提供180度相移，同时起到限流的作用，防止反向器输出对晶振过驱动，损坏晶振，有的晶振不需要是因为把这个电阻已经集成到了晶振里面。 设计是注意事项： 1.使晶振、外部电容器（如果有）与 IC之间的信号线尽可能保持最短。当非常低的电流通过IC晶振振荡器时，如果线路太长，会使它对 EMC、ESD 与串扰产生非常敏感的影响。而且长线路还会给振荡器增加寄生电容； 2.尽可能将其它时钟线路与频繁切换的信号线路布置在远离晶振连接的位置； 3.当心晶振和地的走线； 4.将晶振外壳接地。
晶振选型与应用知识
石英晶振选型与应用知识 石英晶体是压电晶体的一种，沿着特定的方向挤压或拉伸，它的两端会产生正负电荷，这种效应称为正压电效应；相反，对晶体施加电场导致晶体形变的效应，称为逆压电效应。所以在石英晶片两面施加交变电场，晶片就会产生形变，而形变又会产生电场，这是一个周期转换的过程。对于特定的晶片，这个周期是固定的，我们利用这个周期来产生稳定的基准时钟信号。 石英晶体元器件，是利用石英晶体的压电效应实现频率控制、稳定或选择的关键电子元器件。包括石英晶体谐振器、石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。在石英晶片的两面镀上电极，经过装架、调频、封装等工序后制成石英晶体元件。石英晶体元件与集成电路等其它电子元件组合成石英晶体器件。本文主要介绍石英晶振：即所谓石英晶体谐振器（无源晶振）和石英晶体振荡器（有源晶振）的统称。一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了，振荡器就是通常所指钟振。石英晶振是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件，已被广泛地使用在无线电话、载波通讯、广播电视、卫星通讯、仪器仪表等各种电子设备中. 一、石英晶振的型号命名方法 1.国产石英晶体谐振器的型号由三部分组成： –第一部分：表示外壳形状和材料， B表示玻璃壳，J表示金属壳，S表示塑料封型； –第二部分：表示晶片切型，与切型符号的第一个字母相同， A表示AT切型、B表示BT切型， –第三部分：表示主要性能及外形尺寸等， 一般用数字表示，也有最后再加英文字母的。 JA5为金属壳AT切型晶振元件，BA3为玻壳AT切型晶振元件。 2石英晶体振荡器的型号命名有四部分组成： .
–第一部分：主称 用大写字母Z表示石英晶体振荡器； –第二部：类别 用大写字母表示，其意义见下表： –第三部分：频率稳定度等级 用大写字母表示，其意义见下表： –第四部分：序号 用数字表示，以示产品结构性能参数的区别
晶振选型指南(精)
恒温晶振、温补晶振选用指南 晶体振荡器被广泛应用到军、民用通信电台,微波通信设备,程控电话交换机,无线电综合测试仪, BP 机、移动电话发射台,高档频率计数器、 GPS 、卫星通信、遥控移动设备等。它有多种封装,特点是电气性能规范多种多样。它有好几种不同的类型:电压控制晶体振荡器(VCXO 、温度补偿晶体振荡器(TCXO 、恒温晶体振荡器(OCXO ,以及数字补偿晶体振荡器(MCXO 或 DTCXO , 每种类型都有自己的独特性能。如果您需要使您的设备即开即用, 您就必须选用 VCXO 或温补晶振,如果要求稳定度在 0.5ppm 以上,则需选择数字温补晶振 (MCXO 。模拟温补晶振适用于稳定度要求在 5ppm ~0.5ppm 之间的需求。 VCXO 只适合于稳定度要求在 5ppm 以下的产品。在不需要即开即用的环境下,如果需要信号稳定度超过 0.1ppm 的,可选用OCXO 。 频率稳定性的考虑 晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性, 它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽,器件的价格亦愈高。工业级标准规定的 - 40~+75℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯, 倘若 -30~+70℃已经够用, 那么就不必去追求更宽的温度范围。设计工程师要慎密决定特定应用的实际需要,然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。晶体老化是造成频率变化的又一重要因素。根据目标产品的预期寿命不同, 有多种方法可以减弱这种影响。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化,也就是说在产品使用的第一年, 这种现象才最为显著。例如, 使用 10年以上的晶体, 其老化速度大约是第一年的 3倍。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况,也可以采用调节的办法解决,比如, 可以在控制引脚上施加电压 (即增加电压控制功能等。与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动,这些指标应该规定出来。对于工业产品,有时还需要提出振动、冲击方面的指标,军用品和宇航设备的要求往往更多,比如压力变化时的容差、受辐射时的容差,等等。输出必须考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压特性、负载特性、功耗、封装形式,对于工业产品,有时还要考虑冲击和振动、以及电磁干扰 (EMI 。晶体振荡器可 HCMOS/TTL兼容、 ACMOS
晶振电路知识讲解之晶体参数详解
晶振电路知识讲解之晶体参数详解 1. 晶振与晶体的区别晶振是有源晶振的简称，又叫晶体则是无源晶振的简称，也叫（无源）一般是直插两个脚的无极性元件，需要借助（有源）一般是表贴四个脚的封装，内部有时钟电路，只需供电便可产生振荡信号。一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式。 2. MEMS硅晶振与石英晶振区别MEMS硅晶振采用硅为原材料，采用先进的半导体工艺 3. 晶体谐振器的等效电路 4. 关键参数4.1 标称频率4.2 调整频差4.3 温度频差在整个温度范围内工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离。常用ppm表示。4.4 老化率指在规定条件下，由于时间所引起的频率漂移。这一指标对精密晶体是必要的，但它“没有明确的试验条件，而是由制造商通过对所有产品有计划抽验进行连续监督的，某些晶体元件可能比规定的水平要差，这是允许的”（根据IEC的公告）。老化问题的最好解决方法只能靠制造商和用户之间的密切协商。4.5 谐振电阻（Rr）指晶体元件在谐振频率处的等效电阻，当不考虑C0的作用，也近似等于所谓晶体的动态电阻R1或称等效串联电阻(ESR)。这个参数控制着晶体元件的品质因数，还决定所应用电路中的晶体振荡电平，因而影响晶体的稳定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶体元件的一个重要指标参数。一般的，对于一给定频率，选用的晶体盒越小，ESR的平均值可能就越高；绝大多数情况，在制造过程中并不能预计具体某个晶体元件的电阻值，而只能保证电阻将低于规范中所给的最大值。4.6 负载谐振电阻（RL）指晶体元件与规定外部电容相串联，在负载谐振频率FL时的电阻。对一给定晶体元体，其负载谐振电阻值取决于和该元件一起工作的负载电容值，串上负载电容后的谐振电阻，总是大于晶体元件本身的谐振电阻。4.7 负载电容（CL）与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容。晶体元件规范中的CL是一个4.8 静态电容（C0）等效电路静态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积、晶片厚度和晶片加工工艺。4.9 动态电容（C1）等效电路中动态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积，另外还和晶片平行度、微调量的大小有关。4.10 动态电感（L1）等效电路中动态臂里的电感。动态电感与动态电容是一对相关量。4.11 谐振频率（Fr）指在规定条件下，晶体元件电气阻抗为电阻性的两个
MSP430单片机外围晶振设计选型及参考方案
MSP430单片机外围晶振设计选型及参考方案MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低MSP430单片机。它的功耗小、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。 该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。本文主要讲解MSP430系列芯片外围晶振设计选型及注意事项等。 ---MSP430F149 MSP430系列芯片一般外搭两颗晶振：一颗主频晶振，通常在4~16Mhz中选择；另外一颗时钟晶振，即32.768Khz晶振，早期选用直插封装的，现在大部分采用贴片封装的产品，其一便于贴装，其二追求产品的稳定性和品质的可靠性等。
---应用电路 ---MSP430开发板 一、主频晶振的选择 通常MSP430芯片的主频晶振一般选择4Mhz的整数倍，即
4Mhz、8Mhz、16Mhz、32Mhz等。早期电路设计的时候一般选择成本较低的49S封装产品，现阶段越来越倾向于稳定性更好、体积更小、便于贴装的贴片3225封装产品，上海唐辉电子代理的日本KDS大真空公司推出的DSX321G和DSX320G\DSX320GE产品。 1、工业级、消费类产品用DSX321G8Mhz，如下图： 该型号产品封装为3.2mm*2.5mm，体积不到传统直插型49S封装的1/5，精度可达到20PPM，工作温度达到-40—+85°C的工业级，完全能够满足客户的要求。
晶体振荡器电路设计指南
AN2867 应用笔记 ST微控制器振荡器电路 设计指南 前言 大多数设计者都熟悉基于Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的振荡器，但很少有人真正了解它是如何工 作的，更遑论如何正确的设计。我们经常看到，在振荡器工作不正常之前，多数人是不愿付出 太多精力来关注振荡器的设计的，而此时产品通常已经量产；许多系统或项目因为它们的晶振 无法正常工作而被推迟部署或运行。情况不应该是如此。在设计阶段，以及产品量产前的阶 段，振荡器应该得到适当的关注。设计者应当避免一场恶梦般的情景：发往外地的产品被大批 量地送回来。 本应用指南介绍了Pierce振荡器的基本知识，并提供一些指导作法来帮助用户如何规划一个好的 振荡器设计，如何确定不同的外部器件的具体参数以及如何为振荡器设计一个良好的印刷电路 板。 在本应用指南的结尾处，有一个简易的晶振及外围器件选型指南，其中为STM32推荐了一些晶 振型号(针对HSE及LSE)，可以帮助用户快速上手。
目录ST微控制器振荡器电路设计指南目录 1石英晶振的特性及模型3 2振荡器原理5 3Pierce振荡器6 4Pierce振荡器设计7 4.1反馈电阻R F7 4.2负载电容C L7 4.3振荡器的增益裕量8 4.4驱动级别DL外部电阻R Ext计算8 4.4.1驱动级别DL计算8 4.4.2另一个驱动级别测量方法9 4.4.3外部电阻R Ext计算 10 4.5启动时间10 4.6晶振的牵引度(Pullability) 10 5挑选晶振及外部器件的简易指南 11 6针对STM32?微控制器的一些推荐晶振 12 6.1HSE部分12 6.1.1推荐的8MHz晶振型号 12 6.1.2推荐的8MHz陶瓷振荡器型号 12 6.2LSE部分12 7关于PCB的提示 13 8结论14
晶体相关基础知识
石英晶体基本常识 一、基础概念 1、石英晶体谐振器:利用石英晶体的逆电压效应制造具有选择频率和稳定频率的无线电元件。 电介质由于外界的机械作用，(如压缩?伸拉)而在其內部产生变化，产生表面电荷的现象，叫压电效应，如果将具有压电效应的介质至于外电场中，由于电场的作用，会引起介质內部正负电荷中心位移，而这一位移产生效应为逆压电效应 2、晶片的主要成分SiO2（二氧化硅）密度：2.65g/cm3分子量：60.06 3、振动模式晶体分为以下两类： AT 基频：BT 在振动模式最低阶次的振动频率 CT DT 3次 泛音：5次晶体振动的机械谐波，泛音频率与基频频率之比， 7次接近整倍数，又不是整倍数。 9次 AT与BT如何区分 1)通过测量晶片厚度 AT厚度t=1670/F0 F0-晶体标称频率 BT厚度t=2560/F0 2)通过温选根据晶片的拟合曲线来确定 3)通过测量晶体的C0、C1、TS、L、T来确定 4、按规格分为：HC-49S，HC-49U，HC-49S/SMD，表晶(3*8、2*6)，UM系列等 HC-49S HC-49U HC-49S/SMD 表晶 陶瓷SMD 钟振UM系列 5、标称频率：晶体技术条件中所给定的频率，如4.000MHz，12.000MHz，25.000MHz等 6、调整频差：在规定条件下，基准温度时，工作频率相对于标称频率所允许的偏离值(如： ±30ppm、±25ppm)
7、串联谐振频率(FR)：晶体本身固有的频率 8、负载谐振频率(FL)：在规定条件下，晶体与一负载电容相并联或相串联，其组合阻抗呈现 出来的谐振频率。 9、负载电容：在振荡电路中晶体两脚之间所有的等效电容量之和.在通常情况下IC厂家在规格书中都会给出推荐的晶体匹配电容. 说明：负载电容CL是组成振荡电路时的必备条件。在通常的振荡电路中，石英晶体谐振器作为感抗，而振荡电路作为一个容抗被使用。也就是说，当晶体两端均接入谐振回路中，振荡电路的负阻抗-R和电容CL即被测出，这时，这一电容称为负载电容。负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的，负载电容小时，频率偏差量大，当负载电容提高时，频率偏差量减小。当振荡电路中的负载电容减少时，谐振频率发生较大的偏差，甚至当电路中发生一个小变化时，频率的稳定性就受到巨大影响。负载电容可以是任意值，但10-30PF会更佳。 10、温度频差(F/T)：在规定条件下，工作温度范围内，相对于基准温度时工作频率允许的偏离 值 11、基准温度：25±2℃，湿度：50%±10% 12、谐振电阻(RR)：在规定条件下，晶振在谐振频率时的等效电阻 13石英晶体谐振器等效电路 石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动。实际上，石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。(见图1)
常用晶振型号一览表
1.8432MHz 18.432MHZ 25MHZ 4 MHZ 12 MHZ 16 MHZ 13 MHZ 21.47727 MHZ 33.8688 MHZ 3.6864 MHZ 10.245 MHZ 14.7456 MHZ 7.9296875 MHZ 24.576 MHZ 7.2 MHZ 22.1184 MHZ 21.504 MHZ 1.8432 MHZ 13.25 MHZ 24 MHZ 2 MHZ 9.8304 MHZ 20.945 MHZ 9.216 MHZ 14.31818 MHZ 76.8 MHZ 7.3728 MHZ 11.0592 MHZ 44.545 MHZ 40 MHZ 16.384 MHZ 27 MHZ 26 MHZ 48 MHZ 45 MHZ 90 MHZ 130 MHZ 112.32 MHZ 130 MHZ 45.1 MHZ 110.52 MHZ 21.4 MHZ 106.95 MHZ 128.45 MHZ 21.4 MHZ 38.85 MHZ 70 MHZ 45.1 MHZ 26.050 MHZ 8.192 MHZ 44 MHZ 15.36 MHZ 20 MHZ 125 MHZ 25 MHZ 50 MHZ 27 MHZ 65 MHZ 17.734475 MHZ 100 MHZ 32.768 KHZ 31.5 MHZ 29.5 MHZ 56 MHZ 12.288 MHZ 18.432 MHZ 33.333 MHZ 26.975 MHZ 27.145 MHZ 75 MHZ 153.6 MHZ 150 MHZ 455 KHZ 4.91 MHZ 6 MHZ 16.9344 MHZ 10 MHZ 3.64 MHZ 4.1952 MHZ 30 MHZ 8.38 MHZ 4.09 MHZ 16.8 MHZ 4.25 MHZ 9.83 MHZ 33.8688 MHZ 10.7 MHZ 10.8 MHZ 32 MHZ 5 MHZ 14 MHZ 17.28 MHZ 2.68 MHZ 3 MHZ 12.5 MHZ 3.2 MHZ 465 MHZ 446 MHZ 1960 MHZ 433.92 MHZ 225 MHZ 1842 MHZ.5 MHZ 942.5 MHZ 243.5 MHZ 85.38 MHZ 1489 MHZ 1441 MHZ 897.5 MHZ 280 MHZ 926.5 MHZ 903.5 MHZ 360 MHZ 881.5 MHZ 947.5 MHZ 340 KHZ 400 KHZ 26 MHZ 10.245 MHZ 1880 MHZ 1747.5 MHZ 1960 MHZ 1575.45 MHZ 1847 MHZ 842.5 MHZ 1842.5 MHZ 315 MHZ 310 MHZ 19.68 MHZ 13.56 MHZ
晶振电容的选择
晶振电容的选择 1：如何选择晶振 对于一个高可靠性的系统设计，晶体的选择非常重要，尤其设计带有睡眠唤醒(往往用低电压以求低功耗)的系统。这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，原因是上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。在振荡回路中，晶体既不能过激励(容易振到高次谐波上)也不能欠激励(不容易起振)。晶体的选择至少必须考虑：谐振频点，负载电容，激励功率，温度特性，长期稳定性。一般来说某一种单片机或外围芯片都会给出一个或几个典型适用的晶振，常用的像51单片机用12M晶振，ATmega系列单片机可以用8M，16M，7.3728M等。这里有一个经验可以分享一下，如果所使用的单片机内置有PLL即锁相环，那么所使用的外部晶振都是低频率的，如32.768K的晶振等，因为可以通过PLL倍频而使单片机工作在一个很高的频率下。 2：如何选择电容起振电容 从原理上讲直接将晶振接到单片机上，单片机就可以工作。但这样构成的振荡电路中会产生偕波(也就是不希望存在的其他
频率的波),这个波对电路的影响不大,但会降低电路的时钟振荡器的稳定性.为了电路的稳定性起见，建议在晶振的两引脚处接入两个瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响,所以晶振必须配有起振电容，但电容的具体大小没有什么普遍意义上的计算公式，不同芯片的要求不同。 （1）：因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。 （2）：在许可范围内，C1,C2值越低越好。C值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间，比较常用的为15p-30p 之间。
F系列OCXO恒温晶振选型手册
技术指标项目 Parameter 规格 Specification 测试条件 标称频率 Nominal Frequency (MHz)10.0—100.0----频率准确度 Frq accuracy at the time of shipment (ppm)±0.1—±1.0全测 温度范围工作温度 Operating Temperature Range (℃)-40～+85全测 Temperature Range 储存温度 Storage Temperature Range (℃)-55～+105---- 输入 Input Power 供电电压 Supply Voltage (Vdc)+3.3—+12 ±5%---- 功率 (W) Power 初始状态 At switch on (W) 3.5 (max.)全测稳定状态 At steady state@25oC 1.5 (max.) 全测 频率调整 Frequency Turning 调整范围 Frequency Turning Range (ppm)±0.5—±5.0全测 控制电压 Control Voltage Range (V)0.0 —9.0全测参考电压 Reference Voltage (V) 2.8—9.0全测 线性度 Linearity 10%抽测 输出 Output Signal 波形 Waveform Sine HCMOS 全测 幅度 Level 5dBm—10dBm H Level ≥0.9Vdc 全测 L Level ≤0.1Vdc 负载 Load 50Ω15pF--50pF ---- 上升/下降时间 Rise / Fall time (ns)≤6抽测 占空比 Duty cycle 50%±5﹪—±10%全测 频率稳定度Frequency Stability 温度特性 Vs.Operating Temperature (ppb)±10—±280全测 电压特性 Vs.Supply Voltage Variation(ppb)±10—±200抽测 负载特性 Vs.Load (ppb)±10—±200抽测 短稳 Short term stability @1s （ppb/1s）0.001—0.1抽测 谐波 Harmonics (dBc)≤-20抽测 杂波 Spurious (dBc)≤-70抽测 开机特性 Vs warm up time 开机时间 warm up time@25(min)5—30 min.抽测 参考频率 Reference frequency final freq.(2hour)频率偏差 offset (ppb)±10—±200 相位噪声 Phase noise 1Hz dBc/Hz 抽测 10Hz dBc/Hz 100Hz dBc/Hz -110 1kHz dBc/Hz -13510kHz dBc/Hz -145 100kHz dBc/Hz -145 1MHz dBc/Hz 老化Aging 出厂日老化（ppb/day）±0.3—±3.0全测 首年老化first year (ppm)±0.5—±3.0抽测 10年老化 (ppm)---- 外形尺寸 (mm)20.4﹡12.7﹡12.7 mm 3 下载：F系列产品规格表系列恒温晶振 深圳捷比信－－高品质精密元件供应商ｗｗｗ．ｊｅｐｓｕｎ．ｃｏｍ
晶振知识
每个单片机系统里都有晶振(晶体震荡器)，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。 晶体振荡器的被广泛应用到军、民用通信电台，微波通信设备，程控电话交换机，无线电综合测试仪，BP机、移动电话发射台，高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等等,90%的电子设备中都有用到晶振，所以ittbank整理晶振的一些基本知识供广大微粉参考，希望对你们有用！ 晶振分类： 1、按制作材料，分为石英晶振和陶瓷晶振。 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。 石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准（JIS）中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。 石英晶体振荡器的应用：1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz 的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。面且晶振价格便宜，更换容易。3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。 陶瓷晶振就是指用陶瓷外壳封装的晶振,跟石英晶振比起来精度要差一些,但成本也比较低,主要用在对频率精度要求不高的电子产品中。 2、按外形，分为长方形晶振、圆柱形晶振、椭圆形晶振。 上海唐辉电子有限公司是日本kds正规授权代理商，在国内拥有庞大的稳定用户 3、按封装形式，分为玻璃真空密封型晶振、金属壳封装型晶振、陶瓷封装型晶振、塑料壳封装型晶振。 4、按照封装形式还可以分为贴片和直插。 5、按谐振频率精度，分为高精度型、中精度型和普通型晶振。 6、按应用特性，分为串联谐振型晶振和并联谐振型晶振。 串联谐振型晶振：①串联谐振型晶振的负载电容较小，属于低负载电容型晶振；②串联谐振型晶振只能在低负载电容的条件下，或者说只能在串联型振荡电路中使用；③由于晶振是与负载电容串联形成谐振，所以可通过微调负载电容，把振荡频率精确地调到标准值。
晶振选型须知
晶振选型须知 1、晶振的种类 今天无数电子线路和应用需要精确定时或时钟基准信号。晶体时钟振荡器极为适合这方面的许多应用。 时钟振荡器有多种封装，电气性能规范多种多样。大的方面有贴片式和直插式两种，每种都具有不同的封装尺寸并对应不同的封装代号。贴片晶振由于采用了表面贴装的安装方式，尺寸都做的比较小，例如蓝牙耳机或智能手机中经常用到的是尺寸较小的产品：4025（4.0*2.5mm）、3225（3.2*2.5mm）、2520（2.5*2.0mm）封装等。常规用途的封装尺寸如5035、6035等。较大尺寸的有7050、8045等。从功能和用途方面，它有好几种不同的类型，主要有：电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温箱晶体振荡器（OCXO），以及数字补偿晶体振荡器（DCXO）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）。每种类型都有自己的独特性能。 2、选型过程中对频率稳定性的考虑 晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性，它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽，器件的价格亦愈高。 2.1、设计工程师要慎密决定对特定应用的实际需要，然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。 2.2、对于频率稳定度要求20ppm 或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于成于1 至20ppm 的稳定度，应该考虑TCXO 。对于低于1ppm 的稳定度，应该考虑OCXO 或DCXO 。 2.3、输出
必需考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压稳定度、负载稳定性、功耗、封装形式、冲击和振动、以及电磁干扰（EMI）。晶振器可HCMOS/TTL 兼容、ACMOS 兼容、PECL 和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。许多DSP和通信芯片组往往需要严格的对称性（45% 至55%）和快速的上升和下降时间（小于5ns ） 2.4、相位噪声和抖动 在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中央频率的1Hz 之内和通常测量到1MHz 。振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。 TCXO 和OCXO 振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。 2.5、抖动与相位噪声相关，但是它在时域下测量。以微秒表示的抖动可用有效值或峰值测出。许多应用，例如通信网络、无线数据传输、ATM 和SONET 要求必需满足严格的拌动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。 2.6、电源和负载的影响 振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡器的性能。不能期望只能额定驱动15pF 的振荡器在驱动50pF 时会有好的表现。在超过建议的电源电压下工作的振荡器亦会呈现坏的波形和稳定性。 2.7、对于需要电池供电的器件，一定要考虑功耗。引入 3.3V 的产品必然要开发在3.3V 下工作的振荡器。----较低的电压允许产品在低功率下运行。现今大部分市售的表面贴装振荡器在3.3V 下工作。许多采用传统5V 器件的穿孔式振荡器正在重新设计，以便在3.3V 下工作。 2.8、封装尺寸 与其它电子元件相似，时钟振荡器亦采用愈来愈小型的封装。例如，M-tron 公司的M3L/M5L 系列表面贴装振荡器现在采用 3.2×5.0×1.0mm 的封装。通常，较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。 2.9、工作环境 振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如，高的振动或冲击水平会给振荡器带来问题。