一文读懂晶体振荡器
文 | 传感器技术（WW_CGQJS）
每个单片机系统里都有晶振(晶体震荡器)，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。
晶体振荡器的被广泛应用到军、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， 移动电话发射台，高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等等,90%的电子设备中都有用到晶振。
什么是晶振
晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给他通电，他就会产生机械振荡，反之，如果给他机械力，他又会产生电，这种特性叫机电效应。
其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。
根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电....的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。
在电路中的应用实际上是把它当作一个高 Q 值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即 Q 值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。
晶振的基本原理及特性
晶振一般采用如图 1a 的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图 1b，其中 Cv 是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图 1c。其中 Co，C1，L1，RR 是晶体的等效电路。
分析整个振荡槽路可知，利用 Cv 来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容 C=Cbe,Cce,Cv 三个电容串联后和 Co 并联再和 C1 串联。可以看出： C1 越小， Co 越大， Cv 变化时对整个槽路电容的作用就越小。
因而能“压控”的频率范围也越小。实际上，由于 C1 很小(1E-15 量级)，Co 不能忽略(1E-12 量级，几 PF)。所以，Cv 变大时，降低槽路频率的作用越来越小， Cv 变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压(Cbe 上的电压)却越来越小，最后导致停振。
采用泛音次数越高的晶振，其等效电容 C1 就越小；因此频率的变化范围也就越小。
晶振的指标
总频差：
在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。
说明：总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如：精密制导雷达。
频率稳定度：
任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图 2。图中表现出频率不稳定的三种因素：老化、飘移和短稳。
上图中曲线 1 是用 0.1 秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳；曲线 3 是用 100 秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移；曲线 4 是用 1 天一次测量的情况。表现了晶振的老化。
频率温度稳定度：
在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
ftref ＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜，｜(fmin-fref)/fref｜]
ft：频率温度稳定度(不带隐含基准温度)
ftref：频率温度稳定度(带隐含基准温度)
fmax ：规定温度范围内测得的最高频率
fmin：规定温度范围内测得的最低频率
fref：规定基准温度测得的频率
说明：采用 ftref 指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用 ft 指标的晶体振荡器,故 ftref 指标的晶体振荡器售价较高。
开机特性（频率稳定预热时间）：
指开机后一段时间(如 5 分钟)的频率到开机后另一段时间(如 1 小时)的频率的变化率。表示了晶振达到稳定的速度。这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用。
说明：在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和关机，这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到（尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，当要求频率温度稳定度≤0.3ppm(-45℃～85℃)，采用 OCXO 作为本振，频率稳定预热时间将不少于 5 分钟，而采用 MCXO 只需要十几秒钟)。
频率老化率：
在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率（如±10ppb/天，加电 72 小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））来表示。
晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构工艺缺陷等问题。
应力要经过一段时间的变化才能稳定，一种叫“应力补偿”的晶体切割方法（SC 切割法）使晶体有较好的特性。
污染物和残留气体的分子会沉积在晶体片上或使晶体电极氧化，振荡频率越高，所用的晶体片就越薄，这种影响就越厉害。这种影响要经过一段较长的时间才能逐渐稳定，而且这种稳定随着温度或工作状态的变化会有反复——使污染物在晶体表面再度集中或分散。因此，频率低的晶振比频率高的晶振、工作时间长的晶振比工作时间短的晶振、连续工作的晶振比断续工作的晶振的老化率要好。
说明： TCXO 的频率老化率为： ±0.2ppm～±2ppm （第一年）和±1ppm～±5ppm （十年） （除特殊情况，TCXO 很少采用每天频率老化率的指标，因为即使在实验室的条件下，温度变化引起的频率变化也将大大超过温度补偿晶体振荡器每天的频率老化，因此这个指标失去了实际的意义）。OCXO 的频率老化率为： ±0.5ppb～±10ppb/天（加电 72 小时后），±30ppb～±2ppm（第一年），±0.3ppm～±3ppm（十年）。
短稳：
短期稳定度，观察的时间为 1 毫秒、10 毫秒、100 毫秒、1 秒、10 秒。
晶振的输出频率受到内部电路的影响(晶体的 Q 值、元器件的噪音、电路的稳定性、工作状态等)而产生频谱很宽的不稳定。测量一连串的频率值后，用阿伦方程计算。相位噪音也同样可以反映短稳的情况(要有专用仪器测量)。
重现性：
晶振经长时间工作稳定后关机，停机一段时间 t1(如 24 小时)，开机一段时间 t2(如 4 小时)，测得频率 f1，再停机同一段时间 t1，再开机同一段时间 t2，测得频率 f2。重现性=(f2-f1)/f2。
频率压控范围：
将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量。
说明：基准电压为＋2.5V，规定终点电压为＋0.5V 和＋4.5V，压控晶体振荡器在＋0.5V 频率控制电压时频率改变量为-2ppm，在＋ 4.5V 频率控制电压时频率改变量为＋2.1ppm，则 VCXO 电压控制频率压控范围表示为：≥±2ppm(2.5V±2V)，斜率为正，线性为+2.4%。
压控频率响应范围：
当调制频率变化时，峰值频偏与调制频率之间的关系。通常用规定的调制频率比规定的调制基准频率低若干 dB 表示。
说明：VCXO 频率压控范围频率响应为 0～10kHz。
频率压控线性：
与理想（直线）函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。
说明：典型的 VCXO 频率压控线性为：≤±10%，≤±20%。简单的 VCXO 频率压控线性计算方法为(当频率压控极性为正极性时)：
频率压控线性＝±((fmax-fmin)/ f0)×100%
fmax：VCXO 在最大压控电压时的输出频率
fmin：VCXO 在最小压控电压时的输出频率
f0：压控中心电压频率
单边带相位噪声￡(f)：
偏离载波 f 处，一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。
输出波形：
从大类来说，输出波形可以分为方波和正弦波两类。
方波主要用于数字通信系统时钟上，对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、 驱动能力等几个指标要求。
随着科学技术的迅猛发展，通信、雷达和高速数传等类似系统中，需要高质量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。因为一个带有寄生调幅及调相的载波信号（不干净的信号）被载有信息的基带信号调制后，这些理想状态下不应存在的频谱成份（载波中的寄生调制）会导致所传输的信号质量及数传误码率明显变坏。所以作为所传输信号的载体，载波信号的干净程度（频谱纯度）对通信质量有着直接的影响。对于正弦波，通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。
晶振的分类
根据晶振的功能和实现技术的不同，可以将晶振分为以下四类：
1) 恒温晶体振荡器(以下简称 OCXO)
这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，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。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH 传输设备、移动通信直放机、GPS 接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。
OCXO 的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大，需要 5 分钟左右的加热时间才能正常工作等。
2) 温度补偿晶体振荡器(以下简称 TCXO)。
其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的 TCXO 是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大 TCXO 开始出现，这种数字化补偿的 TCXO 又叫 DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为 MCXO，由于采用了数字化技术 ，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。
3) 普通晶体振荡器(SPXO)。
这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。
4) 压控晶体振荡器(VCXO)。
这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫 VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。
晶振的工艺
主要工艺流程为：
晶体选择→切割→粗磨→测角→改圆→研磨→腐蚀清洗→镀膜→装架点胶→微调→封焊→印字→老化→成检→浸锡→抽检→切校脚→包装入库
1）.晶体选择
晶体分天然晶体和人工晶体.天然晶体纯度差,资源有限，而人工晶体纯度高，资源丰富，故现在生产晶振基本上多采用人工晶体。
2）.晶片切割
晶振中最重要的组成部分为水晶振子，它是由水晶晶体按一定的法则切割而成的,又称晶片。
常用晶片的形状有三种：圆形，方形，SMT专用(方形,但比较小)。
晶片的切割可分为AT-CUT，BT-CUT， CT-CUT，DT-CUT，FT-CUT， XT-CUT，YT-CUT，每种切法对应一个角度.采用何种切法应根据实际情况而定，如对温度特性要求较好则应采用AT-CUT，如果对晶振要求的频率较高时则采用BT-CUT。晶片的切割方式、几何形状、尺寸等决定了晶振的频率。
3）研磨
对晶片的表面进行研磨,使其厚度及表面粗糙平整度达到要求。
一般实际的晶片的厚度要比理论上的要小，这是因为后面的蒸镀工序将在晶片表面蒸镀一层银而使晶片厚度增加。以上可用下列式子表示：
理论厚度=实际厚度+蒸镀层厚度
4）倒边,倒角(此工序只针对低频)
5）腐蚀清洗
据多年的生产实践和理论证明，片愈厚、频率愈低，对晶体的起振性能、电阻的影响愈大，这是低频DPTV石英谐振器所不希望和较难解决的问题。调查发现，作为清除晶片因研磨造成的表面松散层的深腐蚀方法较有效。但采用原先的腐蚀液（氢氟酸）的速度慢、效率低，研制人员为此重新配备了蚀液，70℃饱和氟化氢铵溶液为最佳配方，蚀出的晶片透亮，电阻小。
但由于手工控制的摇动不够均匀，批量生产时出现了腐蚀后晶片均匀度差，清洁度不够及蚀速快、较难把握等问题。为此，引进香港制造的由IEC－1型电脑控制的腐蚀控制的腐蚀清洗系统，操作者只需将清洗腐蚀时间（以秒为单位）输入计算机、装白片架和看护各个浴器，便可实现晶片的腐蚀、清洗、烘干及末端从传送链上卸下来的整个过程流水式自动化操作，气泡发生器使腐蚀更加均匀，加温超洗干净。晶片的光洁度、清洁度大幅度提高，成品电阻平均下降3.38％、成品合格率至少提高2.13％，起振性能提高，工效提高50％。
6）镀膜
晶片光洁度的提高对镀膜的附着率造成影响，如果附着率无保证，会造成频率的不稳定。为了保证晶片的附着率，采用先镀一层附着率好的铬，然后再镀银的方法，这种方法的难点就是银铬在晶片两面平均分配的问题，如果分配不均，同样会造成频率的不稳定。采用进口的电脑控制的VDS406真空蒸镀系统，只需将蒸镀量输入电脑，它就会自动地将蒸发物按比例均匀地分配到晶片的两边，且给下道微调工序留下最佳的微调量。
7）装架点胶
胶点得太多会影响电阻，太少又会粘得不牢固，影响可靠性，采用香港制造的精密电子电路控制液体流量的1500型数位式定量点胶机，调整容易、操作简单，一经设定只需轻踩脚踏开关，每次吐出量一致，产品一致性好，避免了因人工兼画眉笔点胶的方法造成的差异。
8）频率微调
先用银层镀薄一点作为其电极,后调节镀银层之厚度一改变晶片厚度来达到微调的作用。
9）完成检查
各个参数的测试,如Rr,C0,绝缘性,气密性等
石英谐振器的一般指标均采用电脑自校的美国150D型晶体阻抗计和高低温测试系统来测试，为确保其可靠性能，有的厂家使用一套拍闪检测工序，这种方法虽然比较土，但对确保出厂产品的可靠性能，使合格产品不致被淘汰非常有效，出厂产品合格率提高1.73％。
通过精选抗氧化锡，采用先分选后浸锡再抽测的新工序，确保了浸锡质量。依据凸轮运动原理，使用操作简单、效率高、符合要求的切脚装置。确保出厂产品符合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。
2、高精度与高稳定度，目前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。
3、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。目前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650～1700 MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。
4、低功能，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。目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2 mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的SMD TCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01 ppm的稳定度。
人们利用晶体的独特物理特性，加工成一个标准的时钟晶振。从而应用到各种电子行业，给电子行业带来了一个历史的变革；随着人们技术水平的提高，晶振的精度和性能越来越高，体积也越来越小，现在有很多的IC集成电路公司己将这小小的晶振放在里面，更加的精密度。在集成电路中普遍使用。
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