晶体振荡器 一文读懂晶体振荡器

纸|传感器技术(WW_CGQJS)

每个单片机系统都有一个晶体振荡器(crystal oscillator)，在单片机系统中起着非常重要的作用。结合单片机内部电路，产生单片机所需的时钟频率。单片机的所有指令都在此基础上执行。晶振提供的时钟频率越高，单片机运行越快。

晶体振荡器广泛应用于军用和民用通信电台、微波通信设备、程控电话交换机、无线电综合测试仪、手机发射台、高档频率计、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。90%的电子设备都使用晶体振荡器。

什么是晶体振荡器

晶体振荡器，俗称晶体谐振器，是一种机电器件，由电损耗小的应时晶体制成，经过精密切割、研磨、镀电极和引线焊接而成。这种晶体有一个非常重要的特性。如果他通电，就会产生机械振荡。相反，如果给他机械力，他就会发电。这个特性叫做机电效应。

其振荡频率与其形状、材料和切割方向密切相关。因为应时晶体的化学性质很稳定，热膨胀系数很小，振荡频率也很稳定。因为几何尺寸可以非常精确地控制，所以它的谐振频率也非常精确。

根据应时晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡电路，即谐振电路。它们的机电效应是机-电-机-电的不断转换，电感和电容组成的谐振电路是电场和磁场的不断转换。

实际上是作为高Q值的电磁谐振电路使用的。由于应时晶体的损耗很小，也就是Q值很高，作为振荡器可以产生非常稳定的振荡，作为滤波器可以获得非常稳定陡峭的带通或带阻曲线。

晶体振荡器的基本原理和特点

晶体振荡器一般采用电容三端(Cobitz)交流等效振荡电路，如图1a所示；晶体振荡器的实际交流等效电路如图1b所示，其中Cv用于调节振荡频率，一般通过变容二极管加不同的反向偏置电压来实现，这也是电压控制的机理；图1c显示了晶体的等效电路，而不是晶体。其中Co、C1、L1和RR是晶体的等效电路。

通过对整个槽路的分析可以看出，用CV改变频率是有局限性的:整个槽路电容C = CBE，CCE和Cv与Co串联后再与C1串联。可以看出，C1越小，Co越大，Cv变化时对整个储能电容的影响越小。

所以可以“压控”的频率范围越小。其实因为C1很小(1E-15量级)，所以Co不能忽略(1E-12量级，几PF)。因此，当Cv增大时，降低通道频率的效果越来越小，而当Cv减小时，增加通道频率的效果越来越大。一方面造成电压控制特性的非线性，电压控制范围越大，非线性越严重；另一方面，振荡的反馈电压(Cbe上的电压)越来越小，最终导致振荡停止。

泛音频率越高，等效电容C1越小。所以频率变化范围较小。

晶体振荡器指数

总频率差:

由于特定工作和非工作参数的组合，晶体振荡器频率在特定时间内与给定标称频率的最大偏差。

注:总频差包括频率温度稳定性引起的最大频差、频率老化率引起的偏差、频率电压特性和频率负载特性。一般只在涉及短期频率稳定度，其他频率稳定度指标没有严格要求的情况下使用。比如精密制导雷达。

频率稳定性:

任何晶体振荡器的频率不稳定性都是绝对的，程度不同。晶体振荡器的输出频率随时间变化，如图2所示。图中显示了频率不稳定的三个因素:老化、漂移和短时稳定性。

上图曲线1 0.1秒测一次，显示晶振的短稳；曲线3 100秒测一次，显示晶振漂移；曲线4每天测量一次。它显示了晶体振荡器的老化。

频率和温度稳定性:

在额定电源和负载下，在指定温度范围内无或有隐含参考温度时的最大允许频率偏移。

ft= (fmax-fmin)/(fmax+fmin)

ftref = MAX[|(fmax-fref)/fref|，|(fmin-fref)/fref|]

Ft:频率和温度稳定性(无隐含参考温度)

Ftref:频率和温度稳定性(隐含参考温度)

Fmax:在指定温度范围内测得的最高频率

Fmin:在指定温度范围内测得的最低频率

频率:指定参考温度测量的频率

说明:ftref指数的晶振比ft指数的晶振更难生产，所以ftref指数的晶振价格更高。

启动特性(频率稳定预热时间):

它是指从一段时间(如5分钟)到另一段时间(如1小时)的频率变化率。表示晶体振荡器达到稳定速度。该指数对于频率计等频繁切换的仪器非常有用。

注意:在大多数应用中，晶振是长时间通电的，但在某些应用中，晶振需要频繁的开关，因此需要考虑稳频预热时间指标(尤其是恶劣环境下使用的军用通信电台，当要求频率和温度稳定性≤ 0.3 ppm (-45℃ ~ 85℃)时，使用OCXO作为本振，稳频预热时间会不小于5分钟，而只使用MCXO

频率老化率:

在恒定环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率与时间的关系。这种长期的频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化引起的。所以频率漂移的速率称为老化速率，可以用规定时限(如10 ppb/天，通电后72小时)后的最大变化率，或规定时限(如1 ppm/(第一年)和5 ppm/(十年))内的最大总频率变化率来表示

晶体老化是由于应力、污染物、残余气体、结构缺陷等问题造成的。

压力可以在一段时间的变化后稳定下来。一种称为“应力补偿”(SC切割法)的晶体切割方法使晶体具有更好的特性。

污染物分子和残留气体会沉积在晶体板上或氧化晶体电极。振荡频率越高，使用的晶体片越薄，影响越严重。这种效应需要很长时间才能逐渐稳定下来，而且这种稳定性会随着温度或工作状态的变化而反复出现——使污染物再次集中或分散在晶体表面。因此，低频晶振的老化速率优于高频晶振，长工作时间晶振优于短工作时间晶振，连续工作晶振优于间歇工作晶振。

注:TCXO的频率老化率为0.2 ppm ~ 2 ppm(第一年)和1 ppm ~ 5 ppm(十年)(除特殊情况外，TCXO很少采用日频率老化率指标，因为即使在实验室条件下，温度变化引起的频率变化也会大大超过温度补偿晶体振荡器的日频率老化，因此该指标失去其实际意义)。OCXO的频率老化率为:0.5 ppb ~ 10 ppb/天(通电72小时后)、30 ppb ~ 2 ppm(第一年)、0.3 ppm ~ 3 ppm(十年)。

短而稳定:

短期稳定，观察时间1毫秒，10毫秒，100毫秒，1秒，10秒。

晶体振荡器的输出频率受内部电路(晶体的Q值、元器件的噪声、电路的稳定性、工作状态等)的影响。)，造成光谱宽不稳定。测得一系列频率值后，用Allen方程计算。相位噪声也能反映短期稳定性(测量时应使用专用仪器)。

再现性:

在长时间稳定工作之后，关闭晶体振荡器，停止一段时间t1(例如，24小时)，启动一段时间t2(例如，4小时)，并测量频率f1。再现性=(f2-f1)/f2。

频率电压控制范围:

将频率控制电压从基准电压调整到规定的端电压，晶体振荡器频率的最小峰值变化。

注:基准电压为+2.5V，规定端电压为+0.5V和+4.5V，当VCXO的频率控制电压为+0.5V时，频率变化为-2ppm，当频率控制电压为+4.5V时，VCXO电压控制频率的电压控制范围≥2 ppm(2.5V±2v)，斜率为正

电压控制频率响应范围:

当调制频率变化时，峰值频偏与调制频率的关系。通常，指定的调制频率比指定的调制参考频率低几分贝。

注:VCXO频率电压控制范围的频率响应为0 ~ 10khz。

频率电压控制线性度:

与理想(直线)函数相比，输出频率是输入控制电压传输特性的量度，它以百分比表示整个频率偏移范围的容许非线性。

注:典型的VCXO频率电压控制线性度≤ 10%，≤ 20%。VCXO频率电压控制的一种简单线性计算方法是(频率电压控制极性为正时):

频率电压控制线性= ((fmax-fmin)/f0) × 100%

fmax:vcxo在最大电压控制电压下的输出频率

fmin:vcxo在最小电压控制电压下的输出频率

F0:电压控制中心的电压频率

单边带相位噪声(f):

相位调制边带的功率密度与载波频率偏移处的载波功率之比..

输出波形:

一般来说，输出波形可以分为方波和正弦波。

方波主要用于数字通信系统时钟，方波主要有输出电平、占空比空、上升/下降时间、驱动能力等几个指标。

随着科学技术的飞速发展，通信、雷达、高速数据传输等类似系统需要高质量的信号源作为日益复杂的基带信息的载体。由于带有寄生调幅和调相的载波信号(不洁信号)是由携带信息的基带信号调制的，这些在理想状态下不应该存在的频谱分量(载波中的寄生调制)会导致传输信号质量和数据传输误码率的明显恶化。因此，作为传输信号的载体，载波信号的洁净度(频谱纯度)直接影响通信质量。对于正弦波，通常需要提供谐波、噪声、输出功率等指标。

晶体振荡器的分类

根据晶体振荡器的不同功能和实现技术，晶体振荡器可以分为以下四类:

1)炉控晶体振荡器(以下简称OCXO)

这种晶体振荡器温度稳定性的解决方案采用恒温槽技术，晶体放在恒温槽中。通过设定恒温工作点，使罐体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这种晶体振荡器主要用于各种类型的通信设备，包括开关、SDH传输设备、移动通信放大器、GPS接收机、电台、数字电视和军事设备。根据用户要求，这种类型的晶体振荡器可以提供电压控制引脚。

OCXO的主要优点是，由于使用了恒温槽技术，频率-温度特性在所有类型的晶体振荡器中是最好的，并且由于电路设计的精度，它的短稳定性和相位噪声更好。主要缺点是功耗高，体积大，正常工作需要5分钟左右。

2)温度补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)。

在温度稳定性的求解中，采用了一些温度补偿方法。主要原理是通过感应环境温度，适当变换温度信息来控制晶体振荡器的输出频率，从而达到稳定输出频率的效果。传统TCXO使用ADI公司进行补偿。随着补偿技术的发展，许多数字补偿晶闸管开始出现。这个数字补偿tcxo也叫DTCXO，我们用单片机补偿的时候叫它MCXO。由于采用了数字技术，这种晶体振荡器的再温特性达到了很高的精度，能够适应更宽的工作温度范围，主要用于军事领域和恶劣的使用环境。

3)普通晶体振荡器(SPXO)。

这是一个简单的晶体振荡器，通常称为时钟振荡器。其工作原理是去掉“电压控制”、“温度补偿”、“AGC”等部分，完全由晶体的自由振荡来完成。这种晶体振荡器主要用于稳定性要求不高的场合。

4)压控晶体振荡器(VCXO)。

这是根据晶振是否具有压控功能来分类的。一种带压控输入引脚的晶体振荡器叫VCXO，以上三种晶体振荡器都可以有压控端口。

晶体振荡器技术

主要工艺流程是:

选晶→切割→粗磨→测角→倒圆→研磨→腐蚀清洗→镀膜→安装点胶→微调→密封焊接→印刷→老化→检验→浸锡→抽样检验→切脚校准→包装入库

1).晶体选择

晶体可以分为天然晶体和人工晶体。天然晶体纯度差，资源有限，人工晶体纯度高，资源丰富，所以人工晶体基本上是用来生产晶体振荡器的。

2).晶片切割

晶体振荡器最重要的部件是晶体振荡器，它是由晶体按照一定的规则切割而成的，也叫晶片。

常用的芯片有三种形状:圆形、方形和SMT(方形，但较小)。

晶圆切割可分为AT-CUT、BT-CUT、CT-CUT、DT-CUT、FT-CUT、XT-CUT和YT-CUT。每种切割方法对应一个角度。切割方法应根据实际情况确定。如果温度特性较好，则采用AT-CUT，如果晶振频率较高，则采用BT-CUT。晶片的切割模式、几何形状和尺寸决定了晶体振荡器的频率。

3)研磨

研磨晶片表面，使其厚度和表面粗糙度符合要求。

一般实际晶圆厚度小于理论厚度，因为后续蒸发过程会在晶圆表面蒸发一层银，增加晶圆厚度。以上可由以下公式表示:

理论厚度=实际厚度+蒸发层厚度

4)修剪和倒角(此过程仅适用于低频)

5)腐蚀清洗

根据多年的生产实践和理论，芯片越厚，频率越低，对晶体的启动性能和电阻的影响越大，这是低频DPTV石英谐振器不希望遇到的难题。研究发现，深度刻蚀法去除磨削造成的晶片表面疏松层更为有效。然而，最初的蚀刻溶液(氢氟酸)速度慢且效率低，因此研究人员为此重新配备了蚀刻溶液。70℃饱和氟化氢铵溶液为最佳配方，刻蚀后的晶圆透明，电阻低。

然而，由于人工控制下的抖动不均匀，在大规模生产中存在蚀刻晶片均匀性差、清洁度不足、蚀刻速度快、抓取困难等问题。为此，介绍了由香港产IEC-1计算机控制的腐蚀清洗系统。操作人员只需将清洗腐蚀时间(以秒为单位)输入电脑，装上白色晶圆架，打理好每一个槽，晶圆腐蚀、清洗、烘干、从传动链上拆端的全过程就能以流水方式自动运行，气泡发生器能使腐蚀更加均匀，加热，超净干净。晶片的光洁度和清洁度大大提高，成品平均电阻降低3.38%，成品合格率至少提高2.13%，振动启动性能提高，工作效率提高50%。

6)涂层

晶片光滑度的提高会影响涂层的附着率。如果不能保证连接速率，频率将会不稳定。为了保证晶片的附着率，采用先镀一层附着率铬再镀银的方法。这种方法的难点是银和铬均匀分布在晶片的两面。如果分布不均匀，频率也会不稳定。采用进口VDS-406真空空电脑控制蒸发系统，只需将蒸发量输入电脑，自动将蒸发液按比例均匀分配到晶圆两侧，为下一步微调工序留下最佳微调量。

7)安装和点胶

胶太多会影响电阻，胶太少会粘不牢，影响可靠性。1500数字定量点胶机采用香港制造的精密电子电路控制液体流量，调节方便，操作简单。一旦设置好，只需要轻轻踩下脚踏开关，每次输出都是一致的。产品一致性好，避免了手工画眉笔点胶方式带来的差异。

8)频率微调

首先用银层作为其电极，然后调整银层的厚度来改变芯片的厚度，实现微调。

9)完成检查

测试各种参数，如Rr、C0、绝缘、气密性等。

用计算机自校准的美国150D晶体阻抗仪和高低温测试系统测试石英谐振器的综合指标。为了确保其可靠的性能，一些制造商使用一套镜头和闪光检测程序。虽然这种方法比较土，但是对于保证出厂产品性能可靠，防止淘汰合格产品是非常有效的。出厂产品合格率提高1.73%。

通过选择抗氧化锡，采用先分选、后浸锡、再取样试验的新工艺，保证浸锡质量。根据凸轮运动原理，采用操作简单、效率高、符合要求的切脚装置。确保制造出来的产品满足彩电生产自动化插件的要求。

石英晶体振荡器的发展趋势

1.小型化、薄型化、芯片化:为了满足手机等便携产品对轻薄短小的要求，石英晶体振荡器的封装从传统的裸露金属外壳覆盖塑料金属变成了陶瓷封装。比如TCXO的体积缩小了30 ~ 100倍。TCXO贴片封装厚度小于2mm，目前市场上已有5×3mm尺寸的器件投放市场。

2.精度高，稳定性好。目前，无补偿晶体振荡器的总精度可达25 ppm。VCXO在10 ~ 7℃范围内频率稳定性一般可达20 ~ 100 ppm，而OCXO在相同温度范围内频率稳定性一般为0.0001 ~ 5 ppm，VCXO控制在25 ppm以下。

3.GPS通信系统不允许低噪声、高频、频率抖动，相位噪声是表征振荡器频率抖动的重要参数。目前，OCXO主流产品的相位噪声性能有了很大的提高。除VCXO外，其他晶体振荡器的最高输出频率不超过200MHz。比如GSM等手机用的UCV4系列压控振荡器，频率650~1700 MHz，电源电压2.2 ~ 3.3 V，工作电流8 ~ 10 mA。

4.低功能、快速启动、低电压运行、低电平驱动、低电流消耗已经成为一种趋势。电源电压一般为3.3V，目前很多TCXO和VCXO产品的电流损耗小于2 mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得了突破性进展。比如日本精工生产的VG-2320SC VCXO，在0.1ppm的规定值范围内，稳频时间小于4ms，日本东京陶瓷有限公司生产的SMD TCXO，启动振荡4 ms就能达到额定值的90%..10 ~ 25 MHz的OAK OCXO产品预热5分钟后可达到0.01 ppm的稳定性。

人们利用晶体独特的物理特性来制作标准的时钟晶体振荡器。从而应用于各种电子行业，给电子行业带来历史性的变革；随着人们技术水平的提高，晶体振荡器的精度和性能越来越高，体积越来越小。现在很多IC集成电路公司都在里面放了这个小晶振，比较精准。广泛用于集成电路。