《晶振工作原理》PPT课件.ppt

BriefingforTXCCRYSTAL,JAN.2000JOHNEYTIEN,TXC,水晶工作原理,2,INDEX,XTAL振盪振盪原理XTAL結構XTAL振動方式切割角度,溫度,頻率之關係等效電路,TXC,3,INDEX,製程晶片製程SMDXTAL製程,TXC,4,石英晶體振盪器介紹,振盪原理XTAL結構,鍍銀面,ETAbase,cf:springbase,利用外電壓加於晶片的兩側產生壓電效應,使晶體本身引起機械變形,進而產生諧振.,TXC,5,石英晶體振盪器介紹,石英晶體具有一特性：當晶體的切割面受到機械應力的作用時，晶體的兩相對面會產生一電位差，這種特性稱為壓電(Piezoelectric)效應。同樣的，若一電壓加於石英晶體的兩相對面上，也會在晶體的形狀上引起機械變形。當我們加一交流電壓於晶體上，就會引起機械式震動，振動的頻率會依晶體的不同而異，石英晶體切割片愈薄，切割技術愈困難，但諧振頻率愈高。,TXC,6,石英晶體振盪器介紹,R1為晶體內部結構的磨擦性當量,因R很小故等效Q值極高.Q=2Fs*L1/R1電感L與電容C1是晶體質量的電性當量.C0為電極間電容量.,TXC,7,石英晶體振盪器介紹,一般把機械式的自然振動稱之為諧振，以LC等效電路替代。一個為RLC串聯諧振，另一為RLC與C0的並聯諧振。由阻抗對頻率的關係曲線得知，Fs串聯諧振時阻抗極低，Fp反諧振時阻抗很高。,TXC,8,Crystal,振盪原理XTAL振動方式厚度振動Thicknessshearmode,基本波:Fundamental(以晶片振盪之最低頻率工作).3倍頻:3rdovertone(以基本波之三倍頻率工作,在線路上須濾掉基本波).5倍頻:5thovertone(以基本波之五倍頻率工作,在線路上須濾掉基本波及三倍波).,TXC,9,Crystal,TXC,晶棒之切割,10,Crystal,振盪原理切割角度,頻率之關係fAT=N/D(mm)fundamentalmodeN=1.68,AT,CT,ET,Y,X,Z,BT,DT,FT,+,LowFrequencyHighFrequencyCT+38AT+3515DT-52BT-49ET+66FT-57,TXC,11,Crystal,CRYSTAL-切割角度,溫度,頻率之關係,TXC,ATCUT,BTCUT,12,Crystal,晶片製程,Lumberbar,Cutting,Testing,材料來源天然水晶礦LASCA(有雜質,無法取用)LASCA打碎,吊晶種(SEED)長晶持續長晶34月成透明晶棒(ASGROWNBAR)切割研磨成LUMBERBAR,TXC,13,Crystal,晶片製程,Doublewafer,膠合,對半切(SingleWafer),Roundbar,LUMBERBAR廢料切除,以X-RAY定角度後固定於鐵板(製具)CUTTING後重新貼合,上膠(DOUBLEWAFER)中心位置為晶種之部份,為非均質材料,無法使用,故對半切成SINGLEWAFER外徑處理(車削/研磨),TXC,14,Crystal,晶片製程,#1000,#4000,#3000,#2000,成品,煮膠後,晶片分離做平面研磨處理以#1000砂(1立方吋可塞1000顆粒,其大小之表示方式)開始研磨依產品需求研磨至#4000以上(#4000,#6000,#10000),TXC,15,Crystal,SMDXTAL製程,Blankcleaning,Alignment,BasePlating,Curing,Freq.adjustment,Annealing,AutoSeamWelding,Aging,FQC,Taping,Blankautomount,Grossleaktest,Fineleaktest,FinalTest,Lasermarking,TXC,排入MASK做蒸鍍,以噴銀微調頻率,銲封上蓋,老化製程,烤膠,乾燥,粗漏測試,細漏測試,晶片清洗,16,何謂PPM?如何計算?PartPerMillion意指百萬分之一秒的頻率跳動值；以實際頻率減目的頻率再除以目的頻率且將小數點往後移六位數即是ppm值。例:目的頻率是25.000000MHz，實際測得的頻率是25.000015MHz(25.000015-25.000000)/25.000000=0.0000006將小數點往後移六位數，即為0.6ppm。,Crystal,TXC,17,Crystal,C1:dynamiccapacitanceC1=0.1Kcdel2fResonanceFreqencydel：ElectrodeDiametern：OrdinalNumberOFHarmonics(1,3,5,7,)kc：CorrectionConstantkc=1fundamentaloscillationkc=0.853rdovertonekc=0.755thovertone.,fsn2,TXC,18,Crystal,Co：StaticCapacitance：一般Co7PF,實際在7PF以下。Mountingsystem的改變或base長度、材質不同,Co值會增加0.5PF2PF之間。Co小起振電壓低，但C.I.會增加，較困難製造。,fsn,Co0.02*del2*,TXC,19,Crystal,R1：DynamicResistance.(CI)R1SL1/Q,Q,R1造成原因：（1）mountingsystem的支架引發水晶內部分子摩擦晶片表面粗度晶片表面污染電極面大小微調面大小焊封條件N2純度及含量,TXC,20,Crystal,R1：DynamicResistance.(CI)造成原因:（2）音響學上的損失晶片表面平行度大氣的R1N2的R1真空中的R1,TXC,CrystalImpedance=R1(晶片電阻)+接觸電阻+應力電阻+.,21,Crystal,L1：DynamicInductance大小由MECHANICALMASS決定L1低頻時，晶片較厚，WAFER較大數HENRIES高頻時，晶片較薄，BLANK較小數mH.,1Ws21,142fs2C1,TXC,22,Crystal,Spurious寄生波除主諧振波外，數自10%以內不想要的寄生波.影響因素蒸鍍量微調量微調面/MASK晶片平行度,TXC,23,Crystal,SpuriousResponse,TXC,1.UnwantedModestoMinimumResistanceRatio2:12.MeasuredBDips,WheredB=20logZ2/Z1,dBShallBe6dB,24,Crystal,AGING老化AGINGPERFORMANCEXTAL老化變化呈對數關係，而第一年AGING變化率有最大變化量eg：1STF1ppm10年之F10ppm實際上約F2.5ppm以PRA2360可以藉由OVEN烘烤，加速頻率SHIFT(約85)1WEEK1年之變化量1MONTH10年之變化量,TXC,25,Crystal,Q值：thequalityofquartzxtalunitsQ,Q,R1,2fsL1R1,12fsR1C1,TureQ=CircuitQ+xtalQ,TXC,26,TRIMSENSITIVITY可變感度:,Crystal,1fR,dfLdCL,-C12(C0CL)2,CL,TS愈好,TXC,TS=,Ext.CS=2pF,TS=-3ppm/PFFTS=6ppm,27,OSCILLATOR,-WaveformsForSwitchingTime,TXC,28,OSCILLATOR,-OutputDisableTime,TXC,29,OSCILLATOR,-Noisemargin,TXC,30,應用方式,大部分MICROPROCESSOR的應用方式，是變形的考畢茲(Colpitts)電路，使用兩個電容到地。,TXC,31,應用方式,LoadCapacitanceCLCL太大,雖Cs影響小,但power必須加大,耗電建議:CL約20pF左右電容成本低,應利用Cd,Cg來調整CL,而非用XTAL來配合電容,TXC,32,振盪原理,TXC,33,振盪原理,振盪條件:迴路增益A10(巴克豪生準則)Z1與Z2就是接到地之電抗元件，而最重要的是跨在輸入與輸出間的電抗即是Z3。A=(Av*X1*X2)/j*Ro(X1+X2+X3)-X2(X1+X3)因為角度必須為零，所以虛數項之X1+X2+X3=0即X3=-(X1+X2)，得X3與X1和X2是不同一類的電抗元件。若Z1=Cd、Z2=Cg則Z3=L(考畢茲振盪器)。,TXC,34,APPLICATIONNOTE,TXC,35,APPLICATIONNOTE,TXC,36,APPLICATIONNOTE,隨著環保意識的抬頭，已令所有電子設備必需要朝著低耗電量去設計，但是低耗電量卻與PERFORMANCE相衝突，為什麼衝突呢?因為要提高PERFORMANCE就必需提昇速度與量。就電子設備而言，提昇速度指的就是的提高執行速度，為了要提高執行速度就必定把頻率提高，在這兒講的頻率就是OSCILLATOR或者CRYSTAL的頻率。,LOWPOWERDESIGN帶來的技術瓶頸,TXC,37,APPLICATIONNOTE,今天在提高頻率設計的同時，卻又面臨著低耗電量限制，以致於發生了許多OSCILLATOR設計上的瑕疵。目前市面上很多LOWPOWERDESIGN的CHIPS，都發生高頻OSCILLATOR設計上的瓶頸。究竟有什麼樣的設計瓶頸呢?那就只有從OSCILLATOR的設計來說明，簡單的說就是在設計高頻OSCILLATOR時，會面臨放大器低的高頻增益及高的CRYSTAL等效電阻。,LOWPOWERDESIGN帶來的技術瓶頸,TXC,38,16.384Mhz,49.152Mhz,81.92Mhz,左圖黑線是Crystal的阻抗特性，而紅線是放大器Band-Width。當設計Oscillator時就必須考慮此兩種特性，從圖片中可看到在16.384Mhz時Crystal的阻抗只20