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石英晶振

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石英晶振是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石英晶振起产生频率的作用具有稳定抗干扰性能良好的特点广泛应用于各种电子电器数码产品中.引言: 居里夫人研制石英晶振居里夫人研制的石英晶振居里夫人研制石英晶振石英晶振又叫石


引言:

居里夫人研制的石英晶振居里夫人研制石英晶振居里夫人研制的石英晶振居里夫人研制石英晶振石英晶振又叫石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称.最早是有居里夫妇研发制作的,由于在消费类电子产品中,谐振器应用的更加广泛,所以我们一般把石英晶振也理解为石英谐振器,石英晶振是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件,已被广泛地使用在电脑,电视,车载GPS导航仪,卫星通讯,大堂对讲机,LED灯等各种电子设备灯饰中.

一、石英晶体振荡器基本结构及工作原理

  石英晶体[1]振荡器分非温度补偿式晶体振荡器,温度补偿晶体振荡器(TCXO),电压控制晶体振荡器(VCXO),恒温控制式晶体振荡器(OCXO)和数字化/μp补偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型.其中,无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种,在日本工业标准(JIS)中,称其为标准封装晶体振荡器(SPXO).现以SPXO为例,简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理.

  石英晶体,有天然的也有人造的,是一种重要的压电晶体材料.石英晶体本身并非振荡器,它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡.SPXO主要是由品质因数(Q)很高的晶体谐振器(即晶体振子)与反馈式振荡电路组成的.石英晶体振子是振荡器中的重要元件,晶体的频率(基频或n次谐波频率)及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向.石英晶体谐振器的基本结构,(金属壳)封装及其等效电路.

只要在晶体振子板极上施加交变电压,就会使晶片产生机械变形振动,此现象即所谓逆压电效应.当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时,就会发生压电谐振,从而导致机械变形的振幅突然增大.在图1(c)所示的晶体谐振器的等效电路中,Co为晶片 a)石英晶体振于的结构 b)金属壳封装示图(c)等效电路

  与金属板之间的静电电容;L,C为压电谐振的等效参量;R为振动磨擦损耗的等效电阻.石英晶体谐振器存在一个串联谐振频率fos(1/2π),同时也存在一个并联谐振频率fop(1/2π).由于CoC,fop与fos之间之差值很小,并且RωOL,R1/ωOC,所以谐振电路的品质因数Q非常高(可达数百万),从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度十分高,可达10-12/日.石英晶体振荡器的振荡频率既可近似工作于fos处,也可工作在fop附近,因此石英晶体振荡器可分串联型和并联型两种.用石英晶体谐振器及其等效电路,取代LC振荡器中构成谐振回路的电感(L)和电容(C)元件,则很容易理解晶体振荡器的工作原理.

石英晶体图  SPXO的总精度(包括起始精度和随温度,电压及负载产生的变化)可以达到±25ppm.SPXO既无温度补偿也无温度控制措施,其频率温度特性几乎完全由石英晶体振子的频率温度特性所决定.在0~70℃范围内,SPXO的频率稳定度通常为20~1000ppm,SPXO可以用作钟频振荡器.

二、电压控制石英晶体振荡器(VCXO)

石英晶体振荡器(VCXO),是通过施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器.在典型的VCXO中,通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的.VCXO允许频率控制范围比较宽,实际的牵引度范围约为±200ppm甚至更大.

  如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高,可采用倍频方案.扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频.与单一的振荡器相比,这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展.

  在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的VCXO代表性产品是日本精工?爱普生公司生产的VG-2320SC.这种采用与IC同样塑封的4引脚器件,内装单独开发的专用IC,器件尺寸为12.6mm×7.6mm×1.9mm,体积为0.19.其标准频率为12~20MHz,电源电压为3.0±0.3V,工作电流不大于2mA,在-20~+75℃范围内的频率稳定度≤±1.5ppm,频率可变范围是±20~±35ppm,启动振荡时间小于4ms.金石集团生产的VCXO,频率覆盖范围为10~360MHz,频率牵引度从±60ppm到±100ppm.VCXO封装发展趋势是朝SMD方向发展,并且在电源电压方面尽可能采用3.3V.

日本大真空[1]KDS生产的TCO-947系列片式VCXO,早在90年代中期前就应用于汽车电话系统.该系列VCXO的工作频率点是12.8MHz,13MHz,14.5MHz和15.36MHz,频率温度特性±2.5ppm/-30~+75℃,频率电压特性±0.3ppm/5V±5%,老化特性±1ppm/年,内部采用SMD/SMC,并采用激光束和汽相点焊方式封装,高度为4mm.帝国科技生产的T-VCXO系列产品尺寸为5mm×7mm,曾被业内认为是外形尺寸最小的产品,但这个小型化的记录很快被打破.目前新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm,并且有的内装2只VCXO.Raltron电子公司生产的VX-8000系列表面贴装VCXO,采用引线封装时高度为0.185英寸,采用扁平封装时仅为0.15英寸,工作频率可在1~160MHz内选择,标准频率调整范围为±100ppm,线性度优于±10%,稳定度优于±25ppm/0~70℃,老化率为±2ppm/年,输出负载达10个LSTTL.

日本精工?爱普生公司利用ST切型晶片制作的声表面波(SAW)谐振器(Q≌2000),型号为FS-555,用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封,振荡频率范围达250~500MHz,频率初始偏差为±25~100ppm,在-20~60℃范围内的频率稳定度是±27ppm,老化率为±10ppm/年.利用FS-555组成的压控SAW振荡器内部结构如图3所示.欲扩大频率调节范围,可加大串联电感Lo的电感量.由于SAW谐振器的频率可达2GHz以上,为压控SAW振荡器(VCSO)的高频化提供了一条重要途径.

三、温度补偿晶体振荡器(TCXO)

  TCXO是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器.

  TCXO的温度补偿方式

  目前在TCXO中,主要有直接补偿和间接补偿两种类型:

  (1)直接补偿型

  直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路,在振荡器中与石英晶体振子串联而成的.在温度变化时,热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化,从而抵消或削减振荡频率的温度漂移.该补偿方式电路简单,成本较低,节省印制电路板(PCB)尺寸和空间,适用于小型和低压小电流场合.但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时,直接补偿方式并不适宜.

  (2)间接补偿型

  间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型.模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度-电压变换电路,并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上,通过晶体振子串联电容量的变化,对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿.该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度,但在3V以下的低电压情况下受到限制.数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数(A/D)变换器,将模拟量转换成数字量.该法可实现自动温度补偿,使晶体振荡器频率稳定度非常高,但具体的补偿电路比较复杂,成本也较高,只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况.

四、石英晶振TCXO发展现状

石英振荡器TCXO在近十几年中得到长足发展,其中在精密TCXO的研究开发与生产方面,日本居领先和主宰地位.在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20以上,目前的主流产品降至0.4,超小型化的TCXO器件体积仅为0.27.在30年中,TCXO的体积缩小了50余倍乃至100倍.日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm,在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90%.TCXO频率范围为2~80MHz,温度从-10℃到60℃变化时的稳定度为±1ppm或±2ppm;数字式TCXO的频率覆盖范围为0.2~90MHz,频率稳定度为±0.1ppm(-30℃~+85℃).日本大真空KDS生产的TCO-935/937型片式直接温补型TCXO,频率温度特性(点频15.36MHz)为±1ppm/-20~+70℃,在5V±5%的电源电压下的频率电压特性为±0.3ppm,输出正弦波波形(幅值为1VPP),电流损耗不足2mA,体积1,重量仅为1g.PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装,正弦波或逻辑输出,在-55℃~85℃范围内能达到±0.25~±1ppm的精度.国内的产品水平也较高,如深圳市帝国科技有限公司推出的TCXO(32~40MHz)在室温下精度优于±1ppm,第一年的频率老化率为±1ppm,频率(机械)微调≥±3ppm,电源功耗≤120mw.目前高稳定度的TCXO器件,精度可达±0.05ppm.

  高精度,低功耗和小型化,仍然是TCXO的研究课题.在小型化与片式化方面,面临不少困难,其中主要的有两点:一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小,温度补偿更加困难;二是片式封装后在其回流焊接作业中,由于焊接温度远高于TCXO的最大允许温度,会使晶体振子的频率发生变化,若不采限局部散热降温措施,难以将TCXO的频率变化量控制在±0.5×10-6以下.但是,TCXO的技术水平的提高并没进入到极限,创新的内容和潜力仍较大.

五、石英晶振应用指南:

  石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为HC-49U,HC-49U/S,HC-49U/S.SMD,UM-1,UM-5及柱状晶体等.

  HC-49U适用于具有宽阔空间的电子产品如通信设备,电视机,电话机,电子玩具中.

  HC-49U/S适用于空间高度受到限制的各类薄型,小型电子设备及产品中.

  HC-49U/S.SMD为准表面贴装型产品,适用于各类超薄型,小型电脑及电子设备中.

  柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子产品如计时器,电子钟,计算器等.

  UM系列产品主要应用于移动通讯产品中,如BP机,移动手机等.

  石英晶体谐振器[2]主要用于频率控制和频率选择电路.本指南有助于确保不出现性能不满意,成本不合适及可用性不良等现象.

  1, 振动模式与频率关系:

  基频 1~35MHz

  3次泛音 10~75MHz

  5次泛音 50~150MHz

  7次泛音 100~200MHz

  9次泛音 150~250MHz

  2, 晶体电阻:对于同一频率,当工作在高次泛音振动时其电阻值将比工作在低次振动时大.

  3, 工作温度范围与温度频差:在提出温度频差时,应考虑设备工作引起的温升容限.当对温度频差要求很高,同时空间和功率都允许的情况下,应考虑恒温工作,恒温晶体振荡器就是为此而设计的.

  4, 负载电容与频率牵引:在许多应用中,都有用一负载电抗元件来牵引晶体频率的要求,这在锁相环回路及调频应用中非常必要,大多数情况下,这个负载电抗呈容性,当该电容值为CL时,则相对负载谐振频率偏移量为:DL=C1/[2(C0+CL)].而以CL作为可调元件由DL1调至DL2时,相对频率牵引为:

  DL1,L2= C1(CL1-CL2)/[2(C0+CL1)(C0+CL2)].

  5, 负载电容的选择:晶体工作在基频时,其负载电容的标准值为20PF,30PF,50PF,100PF.而泛音晶体经常工作在串联谐振,在使用负载电容的地方,其负载电容值应从下列标准值中选择:8PF,12PF,15PF,20PF,30PF.

  6, 激励电平的影响:一般来讲,AT切晶体激励电平的增大,其频率变化是正的.激励电平过高会引起非线性效应,导致可能出现寄生振荡;严重热频漂;过应力频漂及电阻突变.当激励电平过低时则会造成起振阻力不易克服,工作不良及指标的不稳定.

  7, 滤波电路中的应用:应用于滤波电路中时,除通常的规定外,更应注意其等效电路元件的数值和误差以及寄生响应的位置和幅度,由于滤波晶体设计的特殊性,所以用户选购时应特别说明.

发展趋势1,小型化,薄片化和片式化:为满足移动电话为代表的便携式产品轻,薄,短小的要求,石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变.例如TCXO这类器件的体积缩小了30~100倍.采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm,目 前 5×3mm尺寸的器件已经上市.

8,高精度与高稳定度,无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm,VCXO的频率稳定度在10~7℃范围内一般可达±20~100ppm,而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001~5ppm,VCXO控制在±25ppm以下.

9,低噪声,高频化,在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的,相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数.OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善.除VCXO外,其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz.例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器,其频率为650~1700MHz,电源电压2.2~3.3V,工作电流8~10mA.

10,低功耗,快速启动,低电压工作,低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势.电源电压一般为3.3V.许多TCXO和VCXO产品,电流损耗不超过2mA.石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展.