膜厚监控石英晶体振荡器
高二物理竞赛课件石英晶体振荡器
Uom
R1 R2
UZ
T1
2R1RW C R2
T2
2R1RW C R2
T
T1
T2
2 R1 RW C R2
uO1
UZ
O
uOUZ
Uom
O
Uom
图 8.5.8
T2
T1
t
t
T
图
2
2
t
解得： T 2RC ln(1 2R1 )
UZ
R2
图 8.5.3
结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电
阻，即可改变振荡周期。
四、占空比可调的矩形波发生电路
使电容的充、放电时间常数不
同且可调，即可使矩形波发生器的
占空比可调。
uC
充电时间 T1
放电时间 T2
O
t 占空比 D
图 8.5.4
T
T
2
2
又一次跳变， uO = + UZ
O
t
图
UZ
三、振荡周期
电容的充放电规律：
uC
R1 R1 R2
UZ
t
uC (t ) uC (0) uC () e uC ()
O t1
t2
t3
t
对于放电，
R1 R1 R2
UZ
uC
(0)
R1
R1 R2
UZ
uO
UZ
T
T
uC () UZ RC
O
并联谐振频率
图
电抗频率特性
X 感 性
fp 2
1 L CC 0
fs
1 C C0
C C0
O
fs fp
f
石英晶体振荡器起振条件
石英晶体振荡器起振条件石英晶体振荡器啊，这可是个挺有趣的东西呢。
就像是乐队里的指挥家，虽然小小的，不起眼，但在电路这个大乐队里，可是起着至关重要的起振作用呢。
咱得先知道啥是石英晶体振荡器起振条件。
这就好比种庄稼，得有合适的土壤、种子还有气候，少一样都不行。
对于石英晶体振荡器来说，它要起振，电路里得有合适的增益和相移。
这就像是两个人合作抬东西，得力气合适（增益合适），还得方向对（相移合适），不然这东西可抬不起来，振荡器也起不了振。
先说说增益吧。
增益就像是给振荡器注入的一股力量。
你想啊，如果这股力量太小，就像一个小孩去推一辆大卡车，怎么推得动呢？那振荡器就没法起振了。
可要是这股力量太大呢，就像用超级大力气去推一个小玩具车，搞不好就把车给弄坏了，在电路里可能就会造成一些不正常的情况，也没法好好起振。
这就要求电路里的放大器等元件要提供一个恰到好处的增益，不多不少，才能让石英晶体振荡器欢快地起振。
再看看相移。
相移这东西有点抽象，咱打个比方。
就好比一群人走路，大家得保持相同的节奏和方向（相同的相位），要是有人走得快，有人走得慢，队伍就乱套了。
在石英晶体振荡器里也是一样的道理，电路中的各个元件对信号产生的相移得配合得刚刚好。
如果相移不对，信号就像是在迷宫里乱转的小老鼠，找不到正确的路，振荡器也就没法顺利起振了。
其实啊，石英晶体振荡器起振还有一个条件就像给整个起振过程提供一个稳定的环境。
这就像盖房子得有个稳固的地基一样。
在电路里，电源的稳定性就非常重要。
要是电源像个调皮的小孩，一会儿电压高一会儿电压低，这就好比地基一会儿高一会儿低，房子肯定盖不起来，振荡器也很难正常起振。
另外呢，石英晶体本身的特性也对起振有很大的影响。
石英晶体就像是一个有着独特个性的小明星。
它的频率特性、品质因数等就像是小明星的才华和魅力。
如果这些特性不符合电路的要求，就像小明星的表演风格不适合舞台一样，起振也会遇到麻烦。
比如说，石英晶体的频率如果偏差太大，就像歌手唱歌跑调，整个电路就没法和谐地工作，振荡器也就难以起振。
石英晶体振荡器的主要参数
石英晶体振荡器的主要参数
晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。
不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。
如常用一般晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，对于特别要求的晶振频率可达到1000 MHz以上，也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。
负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部全部有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。
负载频率不同打算振荡器的振荡频率不同。
标称频率相同的晶振，负载电容不肯定相同。
由于石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。
所以，标称频率相同的晶振互换时还必需要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。
频率精度和频率稳定度：由于一般晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有肯定的频率精度和频率稳定度。
频率精度从10^(-4)量级到10^(-10)量级不等。
稳定度从±1到±100ppm不等。
这要依据详细的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。
因此，晶振的参数打算了晶振的品质和性能。
在实际应用中要依据详细要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满意要求即可。
1。
石英晶体振荡器的主要参数
石英晶体振荡器的主要参数标称频率fo：存规定的负载电容下，晶振元件的振荡频率即为标称频率矗。
标称频率足晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。
需要注意的是，晶体外壳所标注的频率，既不是串联谐振频率也不足并联谐振频率，而足在外接负载电容时测定的频率，数值介于串联谐振频率与并联谐振频率之间。
所以即使两个晶体外壳所标注的频率是一样的，其实际频率也会有些小的偏差（1．艺引起的离散性）。
常用普通晶振标称频率有48kHz、500kHz、503.5kHz、l -40.50MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到IOOOMHz以上。
负载电容：品振元件相当于电感，组成振荡电路时需配接外部电容，此电容目U负载电容。
负载电容是与晶体一起决定负载谐振频率f的有效外界电容，通常用CL表示。
设计电路时必须按产品手册巾规定的CL值，才能使振荡频率符合晶振的fL。
在应用晶体时，负载电容(C。
)的值是卣接由厂家所提供的，无需冉去计算。
常见的负载电容为8pF、12pF、15pF、20pF、30pF、50pF、lOOpF。
』I要可能就应选lOpF、20pF、30pF、50pF、lOOpF这样的推荐值。
负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。
标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。
因为石英品体振荡器有两个谐振频率：一个是串联谐振品振的低负载电容晶振：另一个为并联谐振晶振的高负载电容晶振。
所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求贞载电容一致，不能冒然互换，否则会造成电器工作不止常。
调整频差：在规定条件下，基准温度(25℃±2℃)时工作频率相对于标称频率所允许的偏若。
温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度(25℃t2℃)时工作频率的允许偏差。
老化率：在规定条件下，晶体T作频率随时间向允许的相对变化。
以年为时间单位衡量时称为年老化率。
静电容：等效电路中与串联臂并接的电容，通常用c。
表示（如图8-3所示）。
负载谐振频率(ti,)：在规定条件卜，晶体与一个负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率巾的一个频率。
石英晶体振荡电路石英谐振器
6.8 k
C1 120 p 200 (a )
C4为微调电容， 用来改变振荡 频率，不过频 率调节范围是 很小的。
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石英谐振器
2.串联型晶体振荡电路
电路结构
等效电路
注：晶体相当于短路元件，常串接在正反馈支路中。
29
石英谐振器
二、石英晶体振荡电路
石英晶体在电路中可以起三种作用：
一是充当等效电感，晶体工作在接近于并联谐振频率 fp
的狭窄的感性区域内， 这类振荡器称为并联谐振型石英晶体 振荡器；
二是石英晶体充当短路元件，并将它串接在反馈支路内， 用以控制反馈系数，它工作在石英晶体的串联谐振频率fq上， 称为串联谐振型石英晶体振荡器； 三是充当等效电容，使用较少。
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石英谐振器
(4)恒温控制式晶体谐振器(OCXO)：将晶体和振荡电路置 于恒温槽中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频 率精度是10-7～10-8量级，对某些特殊应用甚至达到更高。主 要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和 网络分析仪等设备、仪表中。
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石英谐振器
目前发展中的还有数字补偿 式晶体振荡器(DCXO)微机补偿
电 感 三点式
电 容 三点式 石英晶 体
10-2～10-4
10-3～10-4 10-5～10-11
差
好 好
几千赫～几十兆 赫
几兆赫～几百兆 赫 几百千赫～一百 兆赫
可在较宽范围内调节频率
只能在小范围内调节频率 （适用于固定频率） 只能在极小范围内微调频 率（适用于固定频率）
易起振，输出振 幅大
石英晶体稳频的多谐振荡器
u2/3V0 ttu08.1 多谐振荡器本次重点内容：1、多谐振荡器的工作原理。
2、周期的计算方法。
教学过程一、多谐振荡器特点1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。
2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。
3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。
二、电路组成电路如图8.1 (a) 所示 , 定时元件除电容 C 之外 , 还有两个电阻 R1 和 R2 将高、低电平触发端( ⑥、②脚) 短接后连接到 C 与R2 的连接处, 将放电端( ⑦脚) 接到R1与R2的连接处图8.1 (a) 电路组成 (b) 工作波形三、工作原理接通电源瞬间 t =to 时 , 电容 C 来不及充电 ,u c 为低电平 , 此时 ,555 定时器内 R =0,S=1, 触发器置 1, 即 Q =1, 输出u o为高电平。
同时由于Q=0, 放电管 V 截止 , 电容 C 开始充电 , 电路进入暂稳态。
一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段 ( 见图 (b)):(1) 暂稳态 I(O ~t l): 电容 C 充电 , 充电回路为 V DD → R1 → R2 → C →地 ,充电时间常数为 为τ1=(R1+R2)C, 电容 C 上的电压 u c 随时间 t 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压 uo 稳定在高电平。
(2) 自动翻转 I(t ＝tl): 当电容上的电压 uc 上升到了32V DD 时 , 由于 555 定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态Q 由 1 变为 0, Q 由0变成 1, 输出电压 uo 由高电平跳变为低电平 , 电容 C 中止充电。
(3) 暂稳态 Ⅱ (t1~t2): 由于此刻Q ==1, 因此放电管 V 饱和导通 , 电容 C 放电 , 放电回路为 C → R2 →放电管 V →地 , 放电时间常数τ2=R 2C( 忽略 V 管的饱和电阻 ), 电容电压 u c 按指数规律下降 , 同时使输出维持在低电平上。
薄膜厚度的监控
过正控制与膜层厚度误差
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改进的极值法装置
双光路膜厚监控仪 左图是一种使用双光路监控的极值法膜厚监控 仪。它与传统的极值法控制的不同之处在于经 调制的光束被一分为二：一束经由探测器接收 后输出作为参考信号，另一束光线经控制片反 射后再由另一个探测器接收，输出测量信号， 光度计显示测量信号与参考信号的差值。这样 光度计显示的只是测量信号中随膜层厚度变化 而变化的部分信号，扩大了变化部分的量程。 这种装置反射率的测量误差可降至0.1%，从而 提高膜厚监控精度。
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STC-200/SQ 膜厚控制器 用途：除精确的沉积速率和膜厚显示外，并可以回传信号到电子枪电源供应 器或蒸发源，实现闭回路的自动镀膜速率及膜厚控制 特点： 1、操作简单，可单键完成Sing-layer镀膜程序 2、配合外部界面与PLC/PC连线，可达到全自动Multi-layer镀膜程序 3、内设RS-232计算机接口，可以与电脑连线工作 4、配备Bipolar高清晰度信号输出端子，可连接记录仪使用 5、内建程序记录器，可提供前次操作数据，便于查询修正 6、全功能显示器，监控镀膜中各项数据变化，随时掌握沉积速率、厚度、输 出功率及时间变化，并有同步曲线图显示动态流程
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石英晶体监控有三个非常实际的优点：1是装置简单，没有通光孔的窗 口，没有光学系统安排等麻烦；2是信号容易判读，随着膜厚的增加， 频率线性地下降，与薄膜是否透明无关；3是它还可以记录沉积速率， 这些特点使它很适合于自动控制；对于小于8分之一光学波长厚度也具 有较高的控制精度。
该方法的缺点是：晶体直接测量薄膜的质量而不是光学厚度，对于监控 密度和折射率显著依赖于沉积条件的薄膜材料，要得到良好的重复性比 较困难。另外它也不同于光学极值法和波长调制法，具有厚度自动补偿 机理。 值得注意的是在实际使用中，针对薄膜密度与块材密度的不同或不知膜 层的密度，对石英晶体膜厚测量仪的测量的膜厚要进行校正。校正的方 法是先镀一层厚度较厚的薄膜，通过一定的方法（请问可以用那些方法 可以测量薄膜的厚度？）测出该膜层的厚度，然后与晶体振荡器测量的 值进行比较修正。
石英晶体振荡器原理
石英晶体振荡器原理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，它的基本构成大致是：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。
1.晶振概述晶振一般指晶体振荡器。
晶体振荡器BAV99-7是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片），石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；并添加到包装内部IC形成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。
其产品一般用金属壳包装，也用玻璃壳包装.陶瓷或塑料包装。
2.晶振的工作原理石英晶体振荡器是一种由石英晶体压电效应制成的谐振器件。
其基本组成大致如下：从石英晶体上按一定方向角切下薄片，在两个对应面涂上银层作为电极，在每个电极上焊接一根导线，连接到管脚上。
此外，封装外壳构成石英晶体谐振器，简称石英晶体或晶体.晶体振动。
其产品一般用金属外壳包装，也有玻璃外壳.陶瓷或塑料包装。
如果在石英晶体的两个电极上增加一个电场，晶片就会发生机械变形。
相反，如果在晶片两侧施加机械压力，就会在晶片的相应方向产生电场，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上增加交变电压，晶片会产生机械振动，晶片的机械振动会产生交变电场。
一般来说，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常小，但当外部交变电压的频率为特定值时,振幅明显增远大于其他频率,称为压电谐振，与1C电路的谐振现象非常相似。
其谐振频率与晶片切割方法相似。
.几何形状.尺寸等相关。
晶体不振动时，可视为平板电容器，称为静电电容器C,晶片的大小和几何尺寸.与电极面积有关，一般几种皮法到几十种皮法。
当晶体振荡时,机械振动的惯性可以与电感1相等。
一般1值为几十豪亨到几百豪亨。
电容C可以等效晶片的弹性，C值很小，一般只有O.0002~0.1皮法。
膜厚监控用石英晶振片团体标准
膜厚监控用石英晶振片团体标准1.概述膜厚监控是一项重要的工艺控制手段，在许多领域都有着广泛的应用。
而石英晶振片是一种常用的膜厚监控的工具，其稳定性和精准度对于膜厚监控具有至关重要的意义。
为了统一膜厚监控用石英晶振片的相关标准，特制定了本团体标准，以便行业内各方在膜厚监控领域有统一的参照标准。
2.标准名称和适用范围本团体标准的名称为《膜厚监控用石英晶振片团体标准》，适用于各类工业生产中的膜厚监控工作。
无论是薄膜涂覆、化学气相沉积、溅射沉积等各种膜厚监控，均适用于本标准。
3.术语和定义（1）石英晶振片: 一种能够产生固定频率振荡的石英晶体材料。
（2）膜厚监控: 对薄膜涂层的厚度进行实时监测和控制的技术和手段。
（3）团体标准: 行业内各方统一遵循的标准。
4.技术要求（1）振荡频率精确度: 石英晶振片的振荡频率应符合国际相关标准规定的精确度要求，误差范围在允许范围内。
（2）温度稳定性: 石英晶振片在不同温度下的振荡频率应保持稳定，不受外界温度变化的影响。
（3）湿度适应性: 石英晶振片应具有一定的湿度适应性，能够在潮湿环境下正常工作。
（4）长期稳定性: 石英晶振片在长时间使用后的稳定性应能够得到保证，不会因为长期使用而出现频率漂移或其他问题。
5.检测方法（1）频率测量仪器: 使用精准的频率测量仪器对石英晶振片的振荡频率进行检测。
（2）温度控制箱: 利用温度控制箱对石英晶振片进行不同温度下的稳定性测试。
（3）湿度实验室: 在一定湿度条件下对石英晶振片进行湿度适应性测试。
（4）长期稳定性测试: 对石英晶振片进行长时间的频率监测，以验证其长期稳定性。
6.标准制定依据本团体标准是根据国际相关标准和行业内实际应用的需求制定而成，以确保膜厚监控用石英晶振片在工业生产中能够稳定、精准地工作。
7.结论本团体标准的制定将有力地推动膜厚监控用石英晶振片的标准化和规范化，有助于提高膜厚监控的精准度和稳定性，为工业生产提供可靠的技术支撑和保障。
石英晶体振荡器实验
实验二石英晶体振荡器实验一、实验目的：1．了解晶体振荡器的工作原理及特点；2．掌握晶体振荡器的设计方法及参数计算方法。
二、预习要求：1．查阅晶体振荡器的有关资料，了解为什么用石英晶体作为振荡回路元件能使振荡器的频率稳定度大大提高；2．画出并联谐振型晶体振荡器和串联谐振型晶体振荡器的电路图，并说明两者在电结构和应用上的区别；3．了解实验电路中各元件作用。
三、实验电路说明：本实验电路采用并联谐振型晶体振荡器，如图7-2所示。
图7-2XT、C2、C3、C4组成振荡回路。
Q1的集电极直流负载为R3,偏置电路由R1、R2、W和R4构成，改变W可改变Q1的静态工作点。
静态电流的选择既要保证振荡器处于截止平衡状态也要兼顾开始建立振荡时有足够大的电压增益。
振荡器的交流负载实验电阻为R5。
四、实验仪器：1．双踪示波器2．频率计3．万用表4．实验箱及LC振荡、石英晶体振荡模块五、实验内容及步骤：1．接通电源；2．测量振荡器的静态工作点：调整图中W，测得Iemin和Iemax（可测量R4两端的电压来计算相应的Ie值）；经计算可得：Iemin=0.704mA , Iemax=4.920mA3．测量当工作点在上述范围时的振荡器频率及输出电压。
振荡器的频率为10MHz，输出电压的范围是0.37V～2.50V4．研究有无负载对频率的影响：先将K1拨至OFF，测出电路振荡频率，再将K1拨至R5，测出电路振荡频率，填入表2-1，并与LC振荡器比较。
OFF R5f 9.9991MHz 9.9991MHz表2-1六、实验报告要求：1．画出实验电路的交流等效电路；2．整理实验数据；3．比较晶体振荡器与LC振荡器带负载能力的差异，并分析原因；解析：晶体振荡器的带负载能力比较强，因为晶体在工作频率附近的并联谐振阻抗较大，回路阻抗受负载影响较小。
4．说明本电路的优点。
（1）晶体谐振频率稳定，受外界影响较小；（2）晶体谐振器有非常高的品质因素；（3）晶体谐振器的接入系数非常小；（4）晶体在工作频率附近的并联谐振阻抗较大，阻抗变化率较大，稳定度高实验七高频功率放大器实验一、实验目的：1. 了解谐振功率放大器的基本工作原理，初步掌握高频功率放大电路的计算和设计过程；2. 了解电源电压与集电极负载对功率放大器功率和效率的影响。