晶振知识大全

晶振的定义: 晶振的英文名称为crystal. 石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成，主要是为电路提供频率基准的元器件。 晶振的分类： 1. 按制作材料，分为石英晶振和陶瓷晶振。 石英晶振：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。 陶瓷晶振：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。陶瓷晶振就是晶体逆压电效应原理，陶瓷谐振器的工作原理就是既可以把电能转换为机械能，也可以把机械能转换为电能。目前陶瓷谐振器的类型按照外形可以分为直插式和贴片式两中。 2. 从功能上分晶振分为无源晶振和有源晶振。无源晶振即为石英晶体谐振器 ，而有源晶振即位石英晶体振荡器。 无源晶振只是个石英晶体片，使用时需匹配相应的电容、电感、电阻等外围电路才能工作，精度比晶振要低，但它不需要电源供电，有起振电路即可起振，一般有两个引脚，价格较低。 有源晶振内部含有石英晶体和匹配电容等外围电路，精度高、输出信号稳定，不需要设计外围电路、使用方便，但需要电源供电，有源晶振一般是四管脚封状，有电源、地线、振荡输出和一个空置端。使用有源晶振时要特别注意，电源必须是稳压的且电源引线尽量短，并尽量与系统中使用晶振信号的芯片共地。 3、从封装形式上分有直插型（DIP）和贴片型（SMD）。 4、按谐振频率精度，分为高精度型、中精度型和普通型晶振。 5、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：负载电容较小，属于低负载电容型晶振；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；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。 并联谐振型晶振：负载电容很大，属于高负载电容型晶振；只能在高负载电容的条件下，或者说只能在并联型振荡电路中使用；并联型振荡电路的振荡频率不可调，这就要求并联谐振型晶振的精度更高、性能更稳定、谐振频率更精准。 6、电子钟表中的晶振，按石英晶片的形状分为低频音叉型和高频圆薄片型。

石英的化学成分为SiO2，晶体属六方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英（b-石英）。受压或受热能产生 压电效应。 压电效应——石英晶体在压力作用下产生形变，同时产生电极化。其极化强度与压力成正比。这种现象就称“正压电效应”。反之，在电场作用下，晶体产生形变，其形变大小与电场强度成正比，这种现象称“逆压电效应”。利用压电效应，当极板外加交变电压时，产生机械形变;机械形变反过来产生交变电场。机械形变振幅较小，晶体振动的频率比较稳定。当外加交变电压的频率和晶体的固有频率相等时，机械振动的振幅急剧增加。 石英晶片的切型： 在制造工艺中，首先要对石英晶体原材料进行切割研磨处理，其中一道很重要的工序是定角。由于石英片的取向不同，其压电特性、弹性特性和强度特性就不同，用它来制造的谐振器的性能也不一样，经过大量研究，已发现了几十种有用的切割方式。切型的习惯表示方法：AT， BT，CT，DT，ET，FC， SC，LC等。 石英晶体的振动模式：

石英晶体常规技术指标： • 标称频率 晶体元件规范所指定的频率。 • 调整频差 基准温度时，工作频率相对于标称频率的最大允许偏离。常用ppm（1/106）表示。 • 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（1/106）表示。 • 谐振电阻（Rr） 晶体元件在串联谐振频率Fr时的电阻值。 • 负载电容（CL）CL≈（C1C2 /（C1+C2））+C杂散 与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容。 这里C杂散指晶体元件周边电路的分布电容。资料介绍PCB电路板的分布电容多为5-6pF 。 • 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。它的常用计算公式为： C0=KC0×Ae×F0＋C常数

KC0——电容常数，其取值与装架形 式、晶片形状有关; Ae——电极面积，单位mm2； F0——标称频率，单位KHz； C常数——常数，单位PF; • 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。它的常用公式为： C1=KC1×Ae×F0＋C常数 KC1——电容常数； Ae——电极面积，单位mm2; F0——标称频率，单位KHz; C常数——常数，单位PF; ·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，它的常用公式为： L1=1/(2πF0）2C1 (mh) ·串联谐振频率（Fr） 晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个。

• 负载谐振频率（FL） 晶体元件与一负载电容串联或并联，其组合阻抗为电阻性的两个

频率中的一个频率。 • 品质因数（Q） 品质因数又称机械Q值，它是反映谐振器性能好坏的重要参数，它与L1和C1有如下关系 Q=wL1/Rr=1/wRrC1 如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且还会导致频率不稳定。反之Q值越高，频率越稳定。 • 相对负载频率偏置（DL） 晶体负载谐振频率相对于串联谐振频率的变化量DL=(FL-Fr)/Fr，可由下式近似计算： DL≈C1/2（C0＋CL） • 相对频率牵引范围 （ DL1,L2） 晶体在两个固定负载间的频率变化量。 D(L1,L2)=│(FL1-FL2)/Fr│=│C1(CL2-CL1)/2(C0+CL1)(C0+CL2)│ • 牵引灵敏度（TS） 晶体频率在一固定负载下的变化率 。 TS≈-C1 *1000/ 2*（C0+CL）2 • 激励电平相关性（DLD） 由于压电效应，激励电平强迫谐振子产生机械振荡，在这个过程中，加速度功转化为动能和弹性能，功耗转化为热。后者的转换是由于石英谐振子的内部和外部的摩擦所造成的。摩擦损耗与振动质点的速度有关，当震荡不再是线性的，或当石英振子内部或其表面及安装点的拉伸或应变、位移或加速度 达到临界时，摩擦损耗将增加。因而引起频率和电阻的变化。 加工过程中造成DLD不良的主要原因 ——谐振子表面存在微粒污染。主要产生原因为生产环境不洁净或非法接触晶片表面； ——谐振子的机械损伤。主要产生原因为研磨过程中产生的划痕。 ——电极中存在微粒或银球。主要产生原因为真空室不洁净和镀膜速率不合适。 ——装架是电极接触不良； ——支架、电极和石英片之间存在机械应力。 • 寄生响应 所有晶体元件除了主响应（需要的频率）之外，还有其它的 频率响应。减弱寄生响应的办法是改变晶片的几何尺寸、电极，以及晶片加工工艺，但是同时会改变晶体的动、静态参数。 • 寄生响应的测量 ⑴SPDB 用DB表示Fr的幅度与最大寄生幅度的差值； ⑵SPUR 在最大寄生处的电阻； ⑶SPFR 最小电阻寄生与谐振频率的距离，用Hz或ppm表示。

石英晶体谐振器的组成和特性： 由石英片，电极，基座，上盖、导电胶组成，其关键部分是石英片。石英片是弹性体，它有固有频率。石英片也是压电体，谐振时，振动幅度最大，阻抗最小；失谐时，阻抗迅速加大。 石英晶体谐振器的基本参数： FL:指定负载CL时的谐振频率； Fr:谐振频率;Xe=0时的频率； CL:特定负载谐振频率时的负载电容(pf)； C0:静电容（pF）;C1:动态电容（fF）； L1:动态电感。(mH)； RR:动态电阻。Ohm； Q:品质因数。Q=2πfL1/R1； TS:指定负载CL时测试的频率因负载电容变化而引起的牵引能力(ppm/pf)； PWR:激励功率(uW)； 石英晶体谐振器的应用：石英谐振器一般作为电感元件在振荡电路中起稳频作用，而电路的其它元件均可等效为一个负载电容与石英谐振器串联或并联。负载电容的大小将对石英谐振器的等效参数及频率稳定度带来影响。 石英晶体谐振器激励电平选择：一般取1~100uW为佳。激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能，所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的特点。激励电平过大， 会导致晶体本身永久损坏，引起等效电阻变大和Q值下降， 电阻温度特性和频率问题特性变得不稳定， 引发寄生振动。 激励电平过小，会导致不易起振，影响工作的温定和可靠性。 晶体谐振器使用注意事项： 1. 抗冲击 SJK公司的晶体产品设计可抵抗物理冲击，但在某些环境下晶体产品也会受到损坏，比如从桌子上掉落或者在安装过程受到冲击。如果产品受到冲击，确保重新检查产品特性。 2. 焊接耐热 使用时应注意到PCB组装过程中的焊接或再流焊的温度应在 260±10℃；焊接时间应不大于10 s.尽可能使温度变率曲线保持平滑。 3. 超声波清洗