石英晶振

石英晶振的寫法

石英晶振介紹

石英晶振即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時(shí)鐘振蕩器的統(tǒng)稱。不過由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了，后者就是通常所指鐘振。石英晶振是一種用于穩(wěn)定頻率和選擇頻率的電子元件，已被廣泛地使用在無線電話、載波通訊、廣播電視、衛(wèi)星通訊、數(shù)字儀表、鐘表等各種電子設(shè)備中。

分類

首先說一下石英晶振諧振器。諧振器一般分為插件(Dip)和貼片(SMD)插件中又分為HC-49U、HC-49S、HC-49SS、音叉型(柱狀晶振)。HC-49U一般稱49U，有些采購俗稱"高型"，而HC-49S一般稱49S，俗稱"矮型"，HC-49SS一般稱49SS，俗稱(超矮型，通常是2.5mm封裝高度)，音叉型按照體積分可以分為3*9、3*8、2*6、、1*5、、1*4等等。貼片型是按大小和腳位來分類。例如7*5(0705)、6*3.5(0603)、5*3.2(5032)等等。腳位有4pin和2pin之分。而振蕩器也可以分為插件和貼片。插件可以按大小和腳位來分。例如所謂全尺寸的，又稱長方形或者14pin，半尺寸的又稱正方形或者8pin。不過要注意的是，這里的14pin和8pin都是指振蕩器內(nèi)部核心IC的腳位數(shù)。振蕩器本身是4pin。而從不同的應(yīng)用層面來分，又可分為OSC(普通鐘振)、TCXO(溫補(bǔ)鐘振)、VCXO(壓控鐘振)、OCXO(恒溫鐘振)等等。

參數(shù)

1、標(biāo)稱頻率：晶體技術(shù)條件中規(guī)定的頻率，通常標(biāo)識(shí)在產(chǎn)品外殼上。

2、工作頻率：晶體與工作電路共同產(chǎn)生的頻率。

3、調(diào)整頻差：在規(guī)定條件下，基準(zhǔn)溫度（25±2℃）時(shí)工作頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率所允許的偏差。

4、溫度頻差：在規(guī)定條件下，在工作溫度范圍內(nèi)相對(duì)于基準(zhǔn)溫度（25±2℃）時(shí)工作頻率的允許偏差。

5、老化率：在規(guī)定條件下，晶體工作頻率隨時(shí)間而允許的相對(duì)變化。以年為時(shí)間單位衡量時(shí)稱為年老化率。

6、靜電容：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容，也叫并電容，通常用C0表示。

7、負(fù)載電容：與晶體一起決定負(fù)載諧振頻率fL的有效外界電容，通常用CL表示。

負(fù)載電容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。

只要可能就應(yīng)選推薦值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。

8、負(fù)載諧振頻率（fL）：在規(guī)定條件下，晶體與一負(fù)載電容相串聯(lián)或相并聯(lián)，其組合阻抗呈現(xiàn)為電阻性時(shí)的兩個(gè)頻率中的一個(gè)頻率。在串聯(lián)負(fù)載電容時(shí)，負(fù)載諧振頻率是兩個(gè)頻率中較低的一個(gè)，在并聯(lián)負(fù)載電容時(shí)，則是兩個(gè)頻率中較高的一個(gè)。9、動(dòng)態(tài)電阻：串聯(lián)諧振頻率下的等效電阻。用R1表示。

10、負(fù)載諧振電阻：在負(fù)載諧振頻率時(shí)呈現(xiàn)的等效電阻。用RL表示?！L＝R1（1+C0/CL）2

11、激勵(lì)電平：晶體工作時(shí)所消耗功率的表征值。

激勵(lì)電平可選值有：2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等。

12、基頻：在振動(dòng)模式階次的振動(dòng)頻率。

13、泛音：晶體振動(dòng)的機(jī)械諧波。泛音頻率與基頻頻率之比接近整數(shù)倍但不是整數(shù)倍，這是它與電氣諧波的主要區(qū)別。泛音振動(dòng)有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。

使用

導(dǎo)腳型晶振

·構(gòu)造

圓柱型晶振(VT,VTC)用玻璃密封

·修改彎曲導(dǎo)腳的方法

(1)要修改彎曲的導(dǎo)腳時(shí)，以及要取出晶振等情況下不能強(qiáng)制拔出導(dǎo)腳，如果強(qiáng)制地拔出導(dǎo)腳，會(huì)引起玻璃的破裂，而導(dǎo)致殼內(nèi)真空濃度的下降，有可能促使晶振特性的惡化以及晶振芯片的破損。

(2)要修改彎曲的導(dǎo)腳時(shí)，要壓住外殼基側(cè)的導(dǎo)腳，且從上下方壓住彎曲的部位，再進(jìn)行修改。

·彎曲導(dǎo)腳的方法

(1)將導(dǎo)腳彎曲之后并進(jìn)行焊接時(shí)，導(dǎo)腳上要留下離外殼0.5mm的直線部位。如果不留出導(dǎo)腳的直線部位而將導(dǎo)腳彎曲，有可能導(dǎo)致玻璃的破碎。

(2)在導(dǎo)腳焊接完畢之后再將導(dǎo)腳彎曲時(shí)，務(wù)必請(qǐng)留出大于外殼直徑長度的空閑部分，如果直接在外殼部位焊接，會(huì)導(dǎo)致殼內(nèi)真空濃度的下降,使晶振特性惡化以及晶振芯片的破損。

應(yīng)注意將晶振平放時(shí)，不要使之與導(dǎo)腳相碰撞，請(qǐng)放長從外殼部位到線路板為止的導(dǎo)腳長度(L)，并使之大于外殼的直徑長度(D)。

·焊接方法

焊接部位僅局限于導(dǎo)腳離開玻璃纖部位1.0mm以上的部位，并且請(qǐng)不要對(duì)外殼進(jìn)行焊接。另外，如果利用高溫或長時(shí)間對(duì)導(dǎo)腳部位進(jìn)行加熱，會(huì)導(dǎo)致晶振特性的惡化以及晶振的破損。

因此，請(qǐng)注意對(duì)導(dǎo)腳部位的加熱溫度要控制在300°C以下，且加熱時(shí)間要控制在5秒以內(nèi)(外殼的部位的加熱溫度要控制在150°C以下)。

SMD型晶振

·焊接方法

(1)回流的溫度條件。SMD晶振的焊接條件示例(260°C峰值:無鉛產(chǎn)品)

關(guān)于沖洗清潔

音叉型晶振由于采用小型、薄型的晶振芯片，以及相對(duì)而言頻率與超音波清潔器相近，所以會(huì)由于共振而容易受到破壞，因此請(qǐng)不要用超音波清潔器來沖洗晶振。

關(guān)于機(jī)械性沖擊

(1)從設(shè)計(jì)角度而言，即使石英晶振從高度75cm處落到硬質(zhì)木板上三次，按照設(shè)計(jì)不會(huì)發(fā)生什么問題，但因落下時(shí)的不同條件而異，有可能導(dǎo)致石英芯片的破損。在使之落下或?qū)λ┘記_擊之時(shí)，在使用之前，建議確認(rèn)一下振蕩檢查等的條件。

(2)SMD石英晶振與電阻以及電容器的芯片產(chǎn)品不同，由于在內(nèi)部對(duì)石英片進(jìn)行了密封保護(hù)，因此關(guān)于在自動(dòng)安裝時(shí)由于沖擊而導(dǎo)致的影響，請(qǐng)?jiān)谑褂弥?，懇?qǐng)貴公司另外進(jìn)行確認(rèn)工作。

(3)請(qǐng)盡量避免將本公司的音叉型晶振與機(jī)械性振動(dòng)源(包括超聲波振動(dòng)源)安裝到同一塊基板上，不得已要安裝到同一塊基板上時(shí)，請(qǐng)確保晶振能正常工作。

原理

晶振是石英振蕩器的簡(jiǎn)稱，英文名為Crystal，它是時(shí)鐘電路中最重要的部件，它的作用是向顯卡、網(wǎng)卡、主板等配件的各部分提供基準(zhǔn)頻率，它就像個(gè)標(biāo)尺，工作頻率不穩(wěn)定會(huì)造成相關(guān)設(shè)備工作頻率不穩(wěn)定，自然容易出現(xiàn)問題。由于制造工藝不斷提高，現(xiàn)在晶振的頻率偏差、溫度穩(wěn)定性、老化率、密封性等重要技術(shù)指標(biāo)都很高，已不容易出現(xiàn)故障，但在選用時(shí)仍可留意一下晶振的質(zhì)量。

晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個(gè)很重要的特性，如果給他通電，他就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振蕩，反之，如果給他機(jī)械力，他又會(huì)產(chǎn)生電，這種特性叫機(jī)電效應(yīng)。他們有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關(guān)。由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)非常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準(zhǔn)確。

根據(jù)石英晶體的機(jī)電效應(yīng)，我們可以把它等效為一個(gè)電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機(jī)電效應(yīng)是機(jī)-電-機(jī)-電....的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場(chǎng)-磁場(chǎng)的不斷轉(zhuǎn)換。在電路中的應(yīng)用實(shí)際上是把它當(dāng)作一個(gè)高Q值的電磁諧振回路。由于石英晶體的損耗非常小，即Q值非常高，做振蕩器用時(shí)，可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的振蕩，作濾波器用，可以獲得非常穩(wěn)定和陡削的帶通或帶阻曲線。

晶振在應(yīng)用具體起到什么作用

微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；RC（電阻、電容）振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置，適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡(jiǎn)單的分立RC振蕩器?；诰д衽c陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的5[%]至50[%]范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對(duì)待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對(duì)放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移（甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。

上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?/P>

選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)只需不到2mA的電流。

設(shè)計(jì)

1：如何選擇晶體？

對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，晶體的選擇非常重要，尤其設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗)的系統(tǒng)。這是因?yàn)榈凸╇婋妷菏固峁┙o晶體的激勵(lì)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(shí)并不特別明顯，原因時(shí)上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時(shí)，電路的擾動(dòng)要比上電時(shí)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(lì)(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(lì)(不容易起振)。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點(diǎn)，負(fù)載電容，激勵(lì)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(dòng)？

電阻RS常用來防止晶振被過分驅(qū)動(dòng)。過分驅(qū)動(dòng)晶振會(huì)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_(tái)示波器檢測(cè)OSC輸出腳，如果檢測(cè)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(shí)鐘輸入需要，則晶振未被過分驅(qū)動(dòng)；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，則晶振被過分驅(qū)動(dòng)。這時(shí)就需要用電阻RS來防止晶振被過分驅(qū)動(dòng)。判斷電阻RS值大小的最簡(jiǎn)單的方法就是串聯(lián)一個(gè)5k或10k的微調(diào)電阻，從0開始慢慢調(diào)高，一直到正弦波不再被削平為止。通過此辦法就可以找到最接近的電阻RS值。

3：如何選擇電容C1，C2？

（1）：因?yàn)槊恳环N晶振都有各自的特性，所以按制造廠商所提供的數(shù)值選擇外部元器件。

（2）：在許可范圍內(nèi)，C1,C2值越低越好。C值偏大雖有利于振蕩器的穩(wěn)定，但將會(huì)增加起振時(shí)間。

（3）：應(yīng)使C2值大于C1值，這樣可使上電時(shí)，加快晶振起振。