石英晶体应用与可靠性_图文

1、石英晶体 英 体 应用与可靠性 C Copyright, i ht 1998 © 2003 © ©, Arthur Arth rL Lee Technical Director 1 Hong Kong Xtals Limited. 什么是石英晶振？ 生产工程师 生产工程师： 当你的电子板出现问题，它是第 当你的 子板 现问题 是第 一个被替代的元件！ 采购人员： 是一种很难找到”可靠”供应商的 元件！ 研发工程人员： 一个难以理解的小黑盒！ Hong Kong Xtals Limited 2 什么是石英晶振？ 晶振是一个压电元件，即： 能量在电能与机械能状态下每

2、秒转换百万次 所以，压电元件的規格特性要求不同於其他纯电气或 纯机械的元件 : 电阻纯电气 螺钉纯机械 Hong Kong Xtals Limited 3 HC-49U石英晶体的结构 外壳 壳 两面银电极 机械能 Mechanical Energy Stress and Motion 石英晶片（白片） 導电银胶 压力和及运动 压力和及 动 底座 注入干净、 注入干净 干燥的惰性 气体 电能 Electrical Energy Voltage & Current 电压及电流 4 Hong Kong Xtals Limited 石英晶体的(简化理論模型 L1, , C1 : 机械能应力及运

3、动 电能电压及电流 Co : 静电容 RS ( ESR : 能量耗损 Rs : (ESR E R Equivalent i l tS Series i R Resistance it 串联电阻 Co : (Shunt Capacitance Electrode Capacitance静电容 C1 : (Cm Motional Capacitance 动态电容 L1 : (Lm Motional Inductance 动态电感 5 Hong Kong Xtals Limited 晶体抗特性晶体阻抗特性 Rs，Co，C1和L1会提供关于晶体阻抗跟频率的关系，此关系可用数学计算但其有效范围只是在工作

4、此关系可用数学计算。但其有效范围, 只是在工作频率的几百ppm附近。 J part of Crystal Impedence晶体阻抗的J部份Hong Kong Xtals Limited6频率如何标定晶体規格 如何标定晶体規格?首先需了解你电子线路的特性; 从而标定晶体的电子规格标定晶体的电子规格。然後再加上产品的环境要求, 从而标定晶体。再而考虑加上晶体有关的可靠性規格。 Hong Kong Xtals Limited7 电子線路与产品要求 Copyright 1998©2003©8Copyright, 1998 ©, 2003 ©Hong Kong

5、Xtals Limited.简单的英振荡结构简单的石英振荡器结构 振荡器有3个主要部份 :放大器放大器,相位补偿网络和晶体晶体仅为整个振荡器环路中三个部份中的其中一9部份.Hong Kong Xtals Limited振荡的等效模式振荡器的等效模式 D i L lHong Kong Xtals Limited10Drive Level =Vx * IxVxRL XLe= - XCL 线路基本特性 (简化 放大器和相位补偿网络的特性( 简化:增益&相移->负阻>FR FL (相移-> FR 或FL (及CL 电压振幅及相移-> 激励电平小波幅增益-> 起功特

6、性Hong Kong Xtals Limited11如何测量电路参数 如何测量电路参数?相当困难!晶体是在高阻抗及小电容下操作的.因此,插入任何测试探针都将影响它的操作环境:示波器探头(2PF20PF:太大矢量电压表探头(50Ohm:负荷太大建议將你的PCB板送交晶体供应商测试建议將你的PCB板送交晶体供应商测试.Hong Kong Xtals Limited12 负阻抗及最大ESR 振荡线路的负阻是线路能维持正常工作時(正常振荡波幅, 晶体的可容許最大阻抗不过在以下情况下负阻抗可能有变化的可容許最大阻抗。不过，在以下情况下负阻抗可能有变化:电源变化温度变化元件批量的误差启动晶体的电阻可能随激

7、励电平及温度的变化而变化。因此，通常情况下，建议标定晶体的最大电阻等于负阻抗的1/3(到1/10。Hong Kong Xtals Limited13激励电的定义激励电平的定义 字面上的定义,很简单,激励电平（工作状态）=能量在晶体中的消耗=电压Vx与电流Ix的矢量积类似电阻的功率,但电阻的标定功率是指最大可容许功率,对晶体而言标定最大的激励电平是毫无意义的的激励电平是毫无意义的.对电阻你只会要求多少%的精度，而不会要求多少个ppm(parts per million 百万分之几 的精度。对晶体你要求多少个ppm的精度就必须标明工作状态的激励电平(功率对晶体，你要求多少个ppm的精度，就必须标明

8、工作状态的激励电平(功率工作状态的激励电平其取决于线路,而不是晶体.晶体生产厂家在此激励电平下测试晶体晶体生产厂家在此激励电平下测试晶体.电流测试会影响相角(CL.Hong Kong Xtals Limited14( 什么是负载电容 (CL ?Load 负载电容反映线路的相位偏移。Negative Resistance Capacitance 晶体可以在0到90度之间任一相移下工作,所以,每只晶体都有”串联谐振”和”负载谐振”晶体制造厂家会在特定的相位下调整晶体的频率般在合理範圍(12F 的频率。一般在合理範圍(>12pF,不会影响只会影响销售/存货等間接成本RL XLe= - XCL成

9、本。調整线路的负载电容可能影响线路的負阻Hong Kong Xtals Limited15对合理用量(50K/月 的产品不用考虑甚么是”标准”负载电容。 FS, FR, FL and FA 晶体阻抗及频率曲线F A tiFr ( CL = infinity Fa = （Anti-Resonance Frequency延 伸到无穷值的阻抗J部份的频率;没有必要标定FAFrequencySmaller CLLarger CL FS, RS and FR, RR在零相位时: 晶体频率= FR ( Resonant Frequency谐振频率 . 2Impedance = RR , No imagin

10、ary part阻抗=RR,虚部为零Fs 为谐振频率(零相位，Fs为串联频率, 定义不同；60MHz以下：Fs = Fr，Rs(ESR = Rr120MH 以上由于C0的阻抗晶体没有零相位因此Co120MHz以上：由于C0的阻抗，晶体没有零相位，因此，FR及RR不存在。 FL, RL and FP, RP 在零相位(包括外接负载CL Frequency =FL FP 为同义q y (RS 2 . Ideal (RL 会有比较大的测试误差,因此不要在规格内标定。請标定ESR。不过故设计时必需考虑不过，RL 是线路上体现出的实际阻抗, 故设计时必需考虑。如何标定频率电如何标定频率及电阻 描述振荡器

11、在运作中的精确频率,如下:如果你想要3rd O/T 36MHz,请描述36MHz,不是12MHz.如果电路在零相位请描述:Fr,及Rr 等如果电路在滞后相位请描述FL CL及如果电路在滞后相位请描述: FL,CL及RR如何标定Co? 如果你的频率在100MH以下那么C的值如果你的频率在100MHz以下,那么Co的值就不重要了.在这种情况下,标定Co<7pF是无害的,且Co 7p 是无害的,且亦毫无意义. 高频時如何标定 高频時,如何标定Co在高频率下(约>100MHz，Co的阻抗值变得非常小，因此Fr不存在(没有零相位此时晶体就象一个电容器存在(没有零相位，此时，晶体就象一个电容器

12、通常需要外加电感来抵销Co, 以得出零相位 。在这种情况下, 需要标定Co = 供应商提供值+/-15% Hong Kong Xtals Limited21牵引的規格 需要在晶振工作时改变振荡器频率这种应用为牵引应用(如FM,VCXO,PLL FSK 等用这其中的任何个参数说明拉力都是独立用这其中的任何一个参数说明拉力都是独立有效的:Ts,FL1-FL2,DF这些参数也可说明牵引量,但较为间接C1L1C Q 尽量不要采用:C1,L1,Co,Q, 尽量不要采用。Hong Kong Xtals Limited22牵引量的規格 需要在晶振工作时改变振荡器频率这种应用为牵引应用(如FM,VCXO,PL

13、L FSK 等,就需要标定牵引量: Ts 如, , 等,就需要标定牵引量Trimming Sensitivity 計量单位为ppm/pF Ts1Co CL 用这其中的任何一个参数来标定牵引量都是独立有效的T FL1FL2DF:Ts,FL1-FL2,DF在高牵引量的应用，可中考虑使用Fs。如果用在简单的振荡器应用规定最大可容许的Ts可得到Hong Kong Xtals Limited23如果用在简单的振荡器应用,规定最大可容许的Ts可得到更高的Q值。不多次重覆标定牵引量特性 不要多次重覆标定牵引量特性仅用一个参数说明牵引量s Effective g r a n g e pulling range

14、P u l l i n Co C1Ts每个晶体仅有一个牵引量特性,如再多一些标定只会产生混乱及矛盾。Hong Kong Xtals Limited24不用来标定牵引量 不要用Co来标定牵引量L1,Co,Q只是间接体现牵引力.不同的晶体设计生产工芸及材料即使晶体不同的晶体设计，生产工芸及材料，即使晶体的Co相同，其牵引也可能不同。因此，不要用Co来表示牵引量用Co来表示牵引量。一些晶体生产厂可能会用C1对牵引量作晶体生产过程的控制，这是可以接受的.Hong Kong Xtals Limited25AT切温度特性AT 切温度特性 对AT切,通常温度变化-10至+60,频率在+/-30到50ppm是

15、很容易做到的=0PPM通常设25度C为参考点 0 PPM50 1030/ p p m -10F r e q u e n c y D e v i a t i o n -30Hong Kong Xtals Limited26-5Te m p e r a tu r e / C e lc iu sBT切温度特性 温度变化时BT切频率通常变化大于200PPM习惯上25度C为0PPM 参考点。可考虑25度C为80PPM 参考点跌落能力較强，成本較低。Temperature (degree C 0-50-30-101030507090Temperature ( degree C -300-200-100i

16、a t i o n -600-500-400300r e q . d e v ( p p m Hong Kong Xtals Limited27BT Cut Temperature characteristic-700600F音基频泛音和基频 Hong Kong Xtals Limited28频率散差的误差估算 z要素1：最重要是你的产品最大可允许的频率误差是多少? z要素2：晶体工作在Fs上还是在FL上(CL是多少?这会影响到测量误差z要素3：线路需要频率牵引吗? (FM,PLL,VCXO 等,需频率牵引这会影响晶体的测量误差及频率的变化会随牵引 这会影响晶体的Ts，测量误差及频率的变化会随

17、外部元件而有所改变。z要素4：在线路上是否有调频元件，(例如VC或者VL测试偏差及器件变化在生产时可以纠正。Hong Kong Xtals Limited29频率总误差之估算(没有VC 线路中无可调元件，例如VC可调电容）或者VL可调电感）Example :注意：测量误差可能会很大!这估算还未包含电源及温度对半导体的影响Tolerance at Room Temperature30 ppm+Measurement error (=0.5pF×Ts of Crystal10 ppm(p y pp +Component tolerance (=0.5pF×Ts of Cryst

18、al10 ppm+Tolerance over Temperature30 ppmp pp +Aging for 1st year5 ppm<=Your Total Allowable Tolerance say, 100ppm 85ppm Hong Kong Xtals Limited30Your Total Allowable Tolerance say, 100 ppm85 ppm频率总误差之估算(有 频率总误差之估算(有VC线路中有可调元件，例如VC可调电容）或者VL可调电感）注意：这估算还未包含电源及温度对半导体的影响如果标定的CL不对,你有可能调不到所需要的频率。Exampl

19、e :Tolerance at Room Temperaturetuned to 0例如：+Measurement errortuned to 0+Component tolerancetuned to 0+Tolerance over Temperature30 ppm+Aging for 1st year5 ppmHong Kong Xtals Limited31<=Your Total Allowable Tolerance say, 50 ppm35 ppm结论通用晶体规格 结论：通用晶体规格石英晶体的基本参数频率，电阻，CL，CO，L1及C1牵引能力室温频差和温度变化范围频差A

20、T切或者BT切基频及泛音Hong Kong Xtals Limited32 可靠性 33Copyright, 1998© Hong Kong Xtals Limited.可靠性 可靠性：睡眠晶体 DLD：激励电平倚赖性启动电阻跌落测试寄生模式Hong Kong Xtals Limited34温度循环睡晶体睡眠晶体 在晶体行业中，睡眠晶体是众所周知的：因睡眠现象而不起振的晶体常受到外界的激励（机械或者因睡眠现象而不起振的晶体，常受到外界的激励（机械或者电子的 会重新工作，然而过了一段时间之后，晶体又会进入睡眠状态不起振。晶体再次进入睡眠的时间是无法估计或预测到的短则晶体再次进入睡眠的时

21、间是无法估计或预测到的，短则几分种，长则几个月.并不是所有的厂家都知道怎样避免生产出睡眠晶体，因而有些厂家不愿意跟晶体用户一起讨论这一话题。根本原因：生产晶振时洁净度不足无法医治睡眠晶体早晚会再次进入睡眠状态无法医治：睡眠晶体早晚会再次进入睡眠状态测试方法：激励电平依赖性或强激励Hong Kong Xtals Limited35激励电依赖性或起动抗 激励电平依赖性或起动阻抗与睡眠晶体相似，但情况比较轻微。如果你的线路有起振问题，你必须指定额外的，在微激励下阻抗需求。DLD 规格来自线路上的激励电平和始起增益。不要提出过严要求因为会增加成本不要提出过严要求，因为会增加成本。7 456123ESR

22、 Hong Kong Xtals Limited36Drive Level在10nW, 時, Rs=37在100uW Rs=31, 非最理想的生产工艺. 但可DLD 晶体常规 考虑实际的振荡线路，晶体可能是可接受的，也可以是不能接受的。这变化因激励的上限引至，并非生产工艺不好。KolinkerKH1200Test dataHong Kong Xtals Limited37DLD规格的制定 谘询晶体供应商你的线路激励功率及线路是否有启动问题。規格与晶体供应商共同标定DLD 規格。Hong Kong Xtals Limited38跌落测试 非常重要的可靠性参数如果晶振加工不良，运输过程亦可做成不良

23、不要提出过严要求，因为会增加成本。普通的跌落指标：16M 以下50 cm 跌落三次>= 16 MHz35 cm 跌落三次建议採用沖击测试替代, 如:1000 g, 半正弦波, 0.24 mSec, 三次Hong Kong Xtals Limited39寄生模式 寄生振荡总是存在的寄生模式是由于主振（AT 厚度切变）的振动能量藕合至其它不需要的振动方式而引起的，就象你敲击吉他上的弦而产生的基频，它总会伴随着产生其它的谐音和非谐音的频率、偶合(couple mode的同义名词:寄生(Spurious mode;非谐音(Inharmonic mode;不要的振荡(unwanted mode需要的最小比率规格：电阻（寄生模式）/电阻（主振模式）> 2.5如果