石英晶振原理

1、水運工程質(zhì)量監(jiān)理講課大綱 第一章 概 論第一節(jié) 質(zhì)控意義、特點、目標(biāo)一. 意義、特點1.質(zhì)量控制理論依據(jù)質(zhì)量控制：為達到質(zhì)量要求所采取的作業(yè)技術(shù)和活動。質(zhì)量管理理論:ISO9000(9001、9002、9003、9004通用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(87年第一版。我國等同或等效采用，即GB/T 19000-1994。等同idt(p17，照搬。等效小差異。參照局部變更。全面質(zhì)量管理。2質(zhì)量質(zhì)量主體產(chǎn)品或服務(wù)。質(zhì)量含義符合規(guī)定要求，滿足用戶期望。3工程質(zhì)量滿足合同、標(biāo)準(zhǔn)程度，包括安全、使用功能、耐久性、環(huán)境保護等能力總和.觀感質(zhì)量：通過觀察和必要量測反映的工程外在質(zhì)量。一般缺陷：對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力、使用性能或耐久性

2、無決定性影響的缺陷。嚴(yán)重缺陷：對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力、使用性能或耐久性有決定性影響的缺陷。2）碼頭和岸壁工程的觀感質(zhì)量應(yīng)按表規(guī)定進行檢查評價，綜合得分率不應(yīng)低于80%。碼頭與岸壁工程觀感質(zhì)量評價項目和質(zhì)量要求 路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。 圖220圖34、諧振頻率從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即（1）當(dāng)L 、C 、R 支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗 ）。串聯(lián)揩振頻率用fs 表示，石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fs 呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于fs 時L 、C 、R 支路呈感性，可與電容C 。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd 表示。

3、根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗頻率特性曲線如圖4所示?？梢姰?dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs 或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd 時，石英晶體呈容性。僅在fs f fd 極窄的范 圍內(nèi)，石英晶體呈感性。 圖45. 起振條件:1 回路必須為正回授, 就是在輸入與輸出的相位相差360度(或其整數(shù)倍2 在起振頻率開回路之增益必須大于一 圖5振蕩條件:1 相位平衡 2振幅平衡二、石英晶體振蕩器類型特點石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。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。國際電工委員會（IEC ）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩

4、（TCXO ），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO ），溫度補償式晶體振蕩（TCXO ），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO ）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補償式晶體損振蕩（DCXO ）等。普通晶體振蕩器（SPXO ）可產(chǎn)生10(-510(-4量級的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1100MHZ ，頻率穩(wěn)定度是100ppm 。SPXO 沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21146mm 及53.21.5mm 。電壓控制式晶體振蕩器（VCXO ）的精度是10(-610(-5量級，頻率范圍130MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是50ppm 。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14103mm

5、 。 溫度補償式晶體振蕩器（TCXO ）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10(-710(-6量級，頻率范圍160MHz ，頻率穩(wěn)定度為12.5ppm ，封裝尺寸從303015mm 至11.49.63.9mm 。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設(shè)備等。 恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO ）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。OCXO 頻率精度是10(-10至10(-8量級，對某些特殊應(yīng)用甚至達到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)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

6、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，對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標(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。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個為并聯(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還必須要求負(fù)載電容一致，不能冒然互換，否則會造成電

7、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到一般電器的要求，對于高檔設(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量級到10(-10量級不等。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。在實際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д瘢虿煌阅艿木д衿鋬r格不同，要求越高價格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳

8、統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如TCXO 這類器件的體積縮小了30100倍。采用SMD 封裝的TCXO 厚度不足2mm ，目前53mm 尺寸的器件已經(jīng)上市。2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無補償式晶體振蕩器總精度也能達到25ppm ，VCXO 的頻率穩(wěn)定度在107范圍內(nèi)一般可達20100ppm ，而OCXO 在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為0.00015ppm ，VCXO 控制在25ppm 以下。3、低噪聲，高頻化，在GPS 通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數(shù)。目前OCXO 主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO 外，其它類型的晶體振蕩器最高輸

9、出頻率不超過200MHz 。例如用于GSM 等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為6501700 MHz，電源電壓2.23.3V ，工作電流810mA 。4、低功能，快速啟動，低電壓工作，低電平驅(qū)動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V 。目前許多TCXO 和VCXO 產(chǎn)品，電流損耗不超過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術(shù)也取得突破性進展。例如日本精工生產(chǎn)的VG 2320SC 型VCXO ，在0.1ppm 規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時間小于4ms 。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動4ms 后則可達到額定值的90%。OAK 公司的1025 MHz的OCXO

10、 產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達到0.01 ppm的穩(wěn)定度。p 序號評價項目質(zhì) 量 要 求標(biāo)準(zhǔn)分評價等級p 一級95%二級85%三級70%p 1碼頭面部表面平整、坡向符合要求10p 變形縫順直、上下貫通，填縫符合要求10p 分格縫清晰、順直，灌縫飽滿、均勻10p 溝槽順直，與面層接茬平順10p 蓋板平整、穩(wěn)固10p 無明顯碰損和建筑污染10p 混凝土面層抹壓、拉毛均勻，無裂縫、嚴(yán)重龜裂和起砂20p 鋪砌面層砌塊完整、無破損，與構(gòu)筑物接茬平順、緊密20p 瀝青混凝土面層顏色一致，顆粒均勻，無骨料集中、臃包、推擠和爛邊10p 2迎水面石英晶體諧振器From:歐陽聯(lián)鉑石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的

11、振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。一、石英晶體振蕩器的基本原理1、石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)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（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個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. 為了防止Ag 電極被氧化,

12、一般在封裝時充入N 2。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。碼頭前后沿線順直，無明顯錯臺和彎曲五、生產(chǎn)制程簡介1. 晶體選擇:晶體分天然晶體和人工晶體. 天然晶體純度差, 資源有限, 而人工晶體純度高, 資源豐富, 故現(xiàn)在生產(chǎn)晶振基本上多采用人工晶體.2. 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, 如圖6所示 圖6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(

13、Z軸 為參考而命名, 每種切法對應(yīng)一個角度. 采用何種切法應(yīng)根據(jù)實際情況而定, 如對溫度特性要求較好則應(yīng)采用AT-CUT, 如果對晶振要求的頻率較高時則采用BT-CUT. 晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等決定了晶振的頻率. 圖7下面以AT-CUT 和BT-CUT 為例, 比較不同的切割方法對晶振參數(shù)的影響:AT-Cut: 切割角度:35013(一般誤差在3,其誤差越小其溫度特性越好,F(K=1670(K/t(mm t 為晶片之厚度, 一般運用, 溫度特性較發(fā)好,+/-30PPMBT-Cut: 切割角度:490F(K=2560(K/t(mm t 為晶片之厚度, AT-Cut用于基頻高頻, 溫度特

14、性差, +/-100PPM 當(dāng)AT-CUT 與BT-CUT 頻率一樣時,AT-CUT 的本體要比BT-CUT 的本體小, 其C 0,C 1,L 1也不一樣, 如頻率為35MH Z , 當(dāng)其面積一樣時,AT-CUT 本體的厚度為0.02mm, 而BT-CUT 的本體厚度為0.073mm. AT-CUT的C 0為5.5pf, 而BT-CUT 的C 0為2.7pf.AT-CUT 溫度曲線如圖5所示, 現(xiàn)在我們所用的晶振的中心溫度值一般多為253o C,在-10 o C70 oC 這一區(qū)間,其溫度頻差一般為30PPM,溫度特性較好.=圖5BT-CUT 溫度曲線如圖6所示, 溫度特性很差,溫度頻差一般為

15、100PPM.因晶振的切割方法對晶振的眾多參數(shù)影響很大, 故在晶振代用時, 除了考慮頻率, 負(fù)載電容是否相同外, 還應(yīng)考慮其切割方法是否一致, 不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。 圓形晶片直徑頻率 D 5.5mm 方形晶片12MHz被銀面C0被銀面定了,C0就穩(wěn)定了 3.20.1pf 被銀面C0,C1阻抗活力 晶振由IC Power驅(qū)動, 越低越好, 若POWER 過大引起過激勵而使X201無法起振Rr 與F 無關(guān)對Q 值有影響 CL FL 修改C1,C2,R 影響Vpp 相位(起振條件3. 研磨對晶片的表面進行研磨, 使其厚度及表面粗糙平整度達到要求.一般實際的晶片的厚度要比理論上的要

16、小, 這是因為后面的蒸鍍工序?qū)⒃诰砻嬲翦円粚鱼y而使晶片厚度增加. 以上可用下列式子表示:理論厚度=實際厚度+蒸鍍層厚度4. 倒邊, 倒角(此工序只針對低頻5. 腐蝕, 洗凈去除晶片表面雜質(zhì)6. 蒸鍍在晶片表面蒸鍍一層銀做為電極,7. 組立導(dǎo)電銀膠,HOLDER, 觸點陰抗約3歐左右,C 08. 頻率微調(diào)先用銀層鍍薄一點作為其電極, 后調(diào)節(jié)鍍銀層之厚度一改變晶片厚度來達到微調(diào)的作用9. 完成檢查各個參數(shù)的測試, 如Rr,C 0, 絕緣性, 氣密性等圖4 六、石英晶體振蕩器的應(yīng)用1、石英鐘走時準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，

17、其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度。石英晶體振蕩器原理的示意如圖3所示，其中V1和V2構(gòu)成CMOS 反相器石英晶體Q 與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q 、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無法通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時精度。但此時我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨 有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時精度。根據(jù)電子鐘表走時的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C ，如圖4所示。此時系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時減慢。若走時偏慢，則可在晶

18、體支路中串接電容C 。如圖5所示。此時系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時增快。只要經(jīng)過耐心的反復(fù)試驗，就可以調(diào)整走時精度。因此，晶振可用于時鐘信號發(fā)生器。2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來彩電多采用 500kHz 或 503 kHz 的晶體振蕩器作為行、場電路 的振蕩源，經(jīng) 1/3 的分頻得到 15625Hz 的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價格便 宜，更換容易。 3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時也得到了更快的發(fā) 展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取?常見問題分析 1：如何選擇晶體？ 對于一個高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計，

19、 晶體的選擇非常重要， 尤其設(shè)計帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗 的系統(tǒng)。這是因為低供電電壓使提供給晶體的激勵功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這 一現(xiàn)象在上電復(fù)位時并不特別明顯，原因時上電時電路有足夠的擾動，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時， 電路的擾動要比上電時小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(容易振到高次諧 波上也不能欠激勵(不容易起振。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點，負(fù)載電容，激勵功率，溫度特 性，長期穩(wěn)定性。 2：如何判斷晶振是否被過分驅(qū)動？ 電阻 RS 常用來防止晶振被過分驅(qū)動。過分驅(qū)動晶振會漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的 上升?？捎靡慌_示波器檢測 OSC 輸出腳，如果檢測一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都 符合時鐘輸入需要，則晶振未被過分驅(qū)動；相反，如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成 為方形，則