下载文档原格式
CMOS 石英晶振最优启振条件分析与电路设计摘要 :本文基于自动控制原理,对 Pierce CMOS晶振电路的启振条件作了详细的分析, 对电路中影响石英晶振起振的各种寄生参数作了深入研究,结合 Matlab 对理论分析作了验证,并以 15Mhz 晶振为例,设计了一个保证晶振可靠起振的最优反相器,最后通过 HSPICE 模拟进一步验证了理论分析的正确性。
关键词:CMOS ;石英晶振;启振条件The optimum start-up conditions analysis and Circuit design of CMOS Crystal Oscillator Jiang Renjie(School of Computer Science, National University of Defense TechnologyAbstract :This paper investigates the start-up conditions in Pierce CMOS crystal oscillator base upon the auto-control principle . The effect of oscillator start-up conditions caused by crystal circuit parasitics has been analyzed theoretically in detail. The result of theoretical analysis is verified using Matlab, and the optimum inverter which can guarantee circuit oscillate reliably has been designed for the 15Mhz crystal oscillator as an example. Finally, using Hspice simulation, the correctness of the theoretical analysis is verified further.Key words:CMOS, Crystal oscillator, Start-up conditionI . 引言在现代电子系统中, Pierce CMOS 晶振电路,作为时钟发生器,得到越来越广泛的应用 [1][2][8][10]。
晶体谐振器设计影响因子分析摘要石英晶体谐振器基于石英晶体的压电效应，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率一致时，石英晶体与电场会产生谐振，并向外提供稳定性良好的振动频率。
频率稳定性好的谐振器可以作为时钟基准，是石英晶体元器件使用质量的重要保障。
石英晶体工作环境的变化，如环境温度、老化效应、电极、激励电平等，会影响石英谐振器频率的稳定性，这些环境条件会导致石英晶体谐振器的输出频率产生不稳定性波动，石英晶体元器件的灵敏度与精度会受到很大影响。
因此，在设计石英晶体谐振器时，必须充分考虑影响频率稳定性的各种因素，以提高石英晶体元件的稳定性和性能。
本文详细分析了尺寸效应、压电效应、黏性效应、非线性效应四个因素对石英晶体谐振器在设计过程中的影响，对保障石英晶体谐振器的质量具有重要意义。
关键词晶体；设计；影响因子1 引言近年来随着电子信息技术产业的快速发展，石英晶体谐振器作为时钟基准的重要电子元件，其市场需求日益庞大。
石英晶体谐振器的基本原理即石英晶体的压电效应，当石英晶体在交变电场作用下会形变并机械震动，当变化的电场的频率与谐振器的晶片频率一致时，电场与石英晶体会产生谐振，此时受迫振动的振幅达到最大[1]，从而向外提供稳定的振动频率，既可以作为频率标准，也能提高石英晶体元器件的灵敏度与稳定性，在有线通信、无线通讯、广播电视、卫星通信、电子测量仪器、微机处理、仪表、石英钟等各种军用和民用产品中都有着广泛的使用场景与应用市场。
由于石英晶体谐振器频率的稳定性决定了石英晶体元器件的灵敏度与量程的稳定性与可靠性，因此，电子信息技术行业对石英晶体元器件的频率稳定性具有较高的要求。
石英晶体工作环境的变化会导致石英谐振器频率的稳定性受到一定的影响，如环境温度、老化效应、电极、激励电平等，这些环境条件会导致石英晶体谐振器的输出频率产生波动，即频率漂移现象[2]。
因此，在设计石英晶体谐振器的时候需要充分考虑输出频率稳定性的影响因素，这是提高石英晶体元器件稳定性与性能的重要内容，也符合电子信息技术行业的质量控制需求。
目录一、石英谐振器概述二、石英谐振器的工作原理2、1石英晶体材料2、2 石英晶体的压电效应2、3 石英晶体的切型2、4 石英片的基本振动模式（常见）2、5 各种切型的频率温度特性2、6 石英谐振器的组成和特性2、7 石英谐振器的稳频条件及应用须知2、8 石英谐振器的常用电参数的符号和意义2．9 石英谐振器的常用测量方法2．10 石英晶片的制造流程2．11 石英晶体谐振器的制造流程三、选择石英谐振器应考虑的问题3、1 频率的选择3、2 使用环境条件的考虑3、3 根据用途合理选用石英谐振器3、4 正确选择负载电容3、5 激励电平的选择和控制3、6 使用石英谐振器应注意的事项四、石英振荡电路的应用4、1 石英振荡电路的组成4、2 振荡电路的Cg/Cd的选择要点和相关外围元件的注意事项4、3 根据选定的Cg/Cd 值计算XTAL的负载电容CL值。
4、4 Rf 值选取4、5 Rd的选取4、6 其它注意事项五、石英产品的性赖性试验六、失效原因分析七、今后发展方向一、概述:压电效应是一八八零年由法国物理学家居里兄弟（皮埃尔居里和杰克居里）发现的。
早期一战利用石英的压力效应制成强力超声波辐射器。
二战时期利用石英晶体具有稳定的物理和化学性能，制成的元器件在稳频方面比其它元件显出突出的优越性，而广泛使用于通讯领域。
石英谐振器的稳频特性也不断提高，二战时可在10-6/周，19世纪50年代初10-8/周，19世纪50年代末已可达10-9/周～10-10/周。
随着通信发展和制造技术的发展，石英谐振器的频率范围也逐渐向上发展从100KHZ ～10MHZ ，以后发展到数百MHz ，3RD 发展到1G 以上，5th 发展到2GHz 以上。
石英谐振器的使用范围也从军事领域发展民用各使用频标或时标领域如：电子表，电子玩具，彩电，收发讯机，家用电器，PC 机等各领域。
石英谐振器的产品体积也不断地缩小，从传统的大尺寸发展到J1，49U ，49S ；直到近年来发展SMD 表面贴装，尺寸进一步缩小，从7050，6035，5032，发展到4025，3225，2520，2016，已能够适应安装于更小型、微型的产品中去。
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)石英晶体作为谐振器在使用时，要求其谐振频率在温度发生变化时保持稳定。
温频特性与切割角有关，每个石英晶体具有结晶轴，晶体切割是按其振动模式沿垂直于结晶轴的角度切割的。
典型的晶体切割和温频特性。
(见图2)AT型石英晶体谐振器的温度特性目前大多用三次曲线表示(见图3)。
一个石英晶片在所需要的频率范围已满足的情况下在某一角度被切割，以达到要求的工作温度范围。
当然，实际上，即使在成功的操作中，也会有一些由于切割和磨光精确性不够而造成的角度散布，由此，操作的精确度需要提高。
在图4中可以看到频率公差和生产难度等级的关系。
所有石英谐振器均有寄生（在主频率之外的不期望出现的）振荡响应。
他们在等效电路图中表现为附加的以R1、L1、C1形成的响应回路。
寄生响应的阻抗R NW与主谐振波的阻抗Rr的比例通常以衰减常数dB来表示,并被定义为寄生衰减a NW=-20 · lg对于振荡用晶体,3至6dB是完全足够的.对于滤波用晶体,通常的要求是超过40dB. 这一规格要求只有通过特殊设计工艺并使用数值非常小的动态电容方能达到.可达到的衰减随着频率的上升和泛音次数的增加而减小. 通常的平面石英晶片谐振器比平凸或双面凸晶片谐振器的寄生衰减要良好. 在确定寄生响应参数时,应同时确定一个可接受的寄生衰减水平以及寄生频率与主振频率的相对关系.在AT切型中,对于平面晶片,"不和谐的响应"只存在于主响应的+40至+150KHZ之间,对于平凸或双面凸的晶片,寄生则在+200至+400KHZ之间.在以上的测量方法中,寄生响应衰减至20至30dB时是可以测量的,对于再高一些的衰减.C0的补偿是必需的.石英振荡器的机械振动的振幅会随着电流的振幅成正比例地上升. 功率与响应阻抗的关系为Pc=12q R1, 高激励功率会导致共振的破坏或蒸镀电极的蒸发,最高允许的功率不应超过10mV.由于L1和C1电抗性的功率振荡,存在Q c=Q x P c. 若P c=1mV, Q=100.000, Q c则相当于100W. 由于低的Pc功率会导致振荡幅度的超过,最终导致晶体的频率上移.随着晶体泛音次数的增加, 对于激励功率的依赖性更加显著.上图显示了典型的结果, 但是精确的预期结果还是要受到包括晶体设计和加工,机械性晶片参数,电极大小,点胶情况等的影响.可以看出, 激励功率必须被谨慎地确定,以使晶体在生产中和使用中保持良好的关系.当今,一个半导体振荡回路的激励功率一般为0.1mV,故在生产晶体时也一般按0.1mV进行.一个品质良好的晶体可以容易地起振,其频率在自1nW逐步增加时均能保持稳定.现在, 晶体两端的功率很低的半导体回路也可以在很低的功率的情况下工作良好.上图显示了一个对激励功率有或无依赖性的晶体的工作曲线的比较.晶体存在蒸镀电极不良,晶片表面洁净度不足, 都会存在如图所示的在低功率时出现高阻抗的情况, 这一影响称为激励功率依赖性(DLD). 通常生产中测试DLD是用1~10mV测试后再用1mV 测试, 发生的阻抗变化可作为测试的标准. 很显然, 在增加测试内容会相当大的提高晶体生产的成本.利用适当的测试仪器可以很快地进行DLD极限值的测定,但是只能进行合格/不合格的测试.IEC草案248覆盖了根4结构特性解剖日本生产的这种石英谐振器可见，外壳为干净、无凹隐、无污渍的HC－49/U型锌铂铜外壳，印字清晰完整。
中文摘要石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。
这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。
利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。
由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。
石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。
本设计对利用石英晶体构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究，对振荡器的原理及石英晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过Multisim软件设计、仿真出并联的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行调试和参数的计算。
关键词石英，晶振，压电效应，频率稳定性，Multisim仿真目录课程设计任务书课程设计成绩评定表中文摘要...................................................................................................... .1 目录...................................................................................................... . (2)1设计任务描述 (3)1.1 设计目的... ..................................................... ................ ............... (3)1.2 基本要求.................................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3)2 设计思路.......................................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4)3 设计方框图.......................................................................... . . . . . . . . . . . (5)4 各部分电路设计及参数计算................................................. . . . . . . . . . (6)5 工作过程分析....................................................................... . . . . . . . . . . (11)6 元器件清单 (12)7 主要元器件介绍........................................................... . . . . . . . . . . (13)小结........................................................................................... . . . . . . . . . . . . .18 致谢.................................................................................... . . . . . . . . . . . (19)参考文献.............................................................................. . . . . . . . . . . . (20)附录逻辑电路图................................................................... . . . . . . . . . .. (21)仿真效果图 (22)1.设计任务描述1．设计题目：石英晶体振荡器的设计与调试1.1设计目的：1.深入理解石英晶体振荡器的工作原理，熟悉振荡器的构成和电路各元件的作用；2.掌握振荡器的设计方法及参数计算；3.学会正弦波振荡器的调试。
石 英 晶 体 谐 振 器一、概述石英晶体是一个机械能和电能的转换元件，由于它具有固定的振动频率，因此在电路中反映出谐振的特性。
但在石英晶片上施加正弦交流电压u 时，则在电路中形成正弦电流i ，当外加电压的频率正好等于石英晶片的固有谐振频率时，石英晶体的机械振动最强，外加电流中的交流电流i 也最大，这就好似一个LC 串联谐振电路。
实际使用的晶体在其两个面上镀有一层很薄的金属银，相当于在晶片两端并联一个附加电容，从而形成晶体谐振器。
二、晶体谐振器的分类 HC-49U 型石英晶体谐振器，外形尺寸如图1所示HC-49U/S 型石英晶体谐振器：该谐振器内部采用精心设计的不同尺寸的矩形AT 切割水晶片，从而保证了水晶片的稳定性，其高度为HC-49U 的1/3。
其外形尺寸如图2所示手表晶体fo ：32.758KHz 。
其外形尺寸如图3所示晶体谐振器 （有引出线型的）UM-1、UM-5型石英晶体谐振器：用于在狭小空间内装置而设计的小型高精度谐振器，如用在移动通信（移动电话、传呼机）等局部振荡器，并且耐抗击性能很强。
其外形尺寸如图4所示49/U ：49U/S ：图3um-1：H：8maxum-5：H：电视中使用的为前三位。
三、晶体谐振器的等效电路及电路符号石英晶体谐振器的电路符号如图5所示，等效电路图如图6所示。
f图7 晶体谐振器的电抗曲线1、Q＝L1/C / R1≥5×105，其中C为等效电容，如此高的Q值可获得很高的频率稳定性。
其温度特性也很好。
在环境温度-20℃～+70℃工作时，其频率偏差≤±30PPM。
2、当晶体元件电气阻抗为纯电阻时，对应两个频率：a、串联谐振频率：fr＝1/（2πL1·C1）在串联连接时晶体器件对应电阻值Rr称为晶体的谐振电阻Rr≈R1。
b、并联谐振频率：fa＝fr·〔1+（C1/2C0）〕，显然，fa＞fr。
四、电抗曲线：晶体谐振器的电抗曲线如图7所示，当谐振频率f＜fr时，两支路的容抗都很大，其阻抗为容性；当f ＝fr时，产生串联谐振，阻抗X＝0；当fr＜f＜fa时，等效电抗呈感性。
