石英晶振

分类

　　首先说一下石英晶振谐振器。谐振器一般分为插件(Dip)和贴片(SMD)插件中又分为HC-49U、HC-49S、HC-49SS、音叉型(柱状晶振)。HC-49U一般称49U，有些采购俗称"高型"，而HC-49S一般称49S，俗称"矮型"，HC-49SS一般称49SS，俗称(超矮型，通常是2.5mm封装高度)，音叉型按照体积分可以分为3*9、3*8、2*6、、1*5、、1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5(0705)、6*3.5(0603)、5*3.2(5032)等等。脚位有4pin和2pin之分。而振荡器也可以分为插件和贴片。插件可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称正方形或者8pin。不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数。振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分，又可分为OSC(普通钟振)、TCXO(温补钟振)、VCXO(压控钟振)、OCXO(恒温钟振)等等。

参数

　　1、 标称频率：晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。

　　2、 工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。

　　3、 调整频差：在规定条件下，基准温度（25±2℃）时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。

　　4、 温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（25±2℃）时工作频率的允许偏差。

　　5、 老化率：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。

　　6、 静电容：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。

　　7、 负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用CL表示。

　　负载电容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。

　　只要可能就应选推荐值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。

　　8、 负载谐振频率（fL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。 　　9、 动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。用R1表示。

　　10、 负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。用RL表示。　RL＝R1（1+C0/CL）2

　　11、 激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。

　　激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等。

　　12、 基频：在振动模式阶次的振动频率。

　　13、 泛音：晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。

使用

　　导脚型晶振

　　·构造

　　圆柱型晶振 (VT, VTC) 用玻璃密封

　　·修改弯曲导脚的方法

　　(1) 要修改弯曲的导脚时，以及要取出晶振等情况下不能强制拔出导脚，如果强制地拔出导脚，会引起玻璃的破裂，而导致壳内真空浓度的下降，有可能促使晶振特性的恶化以及晶振芯片的破损。

　　(2) 要修改弯曲的导脚时，要压住外壳基侧的导脚，且从上下方压住弯曲的部位，再进行修改。

　　·弯曲导脚的方法

　　(1) 将导脚弯曲之后并进行焊接时，导脚上要留下离外壳0.5mm的直线部位。如果不留出导脚的直线部位而将导脚弯曲，有可能导致玻璃的破碎 。

　　(2) 在导脚焊接完毕之后再将导脚弯曲时，务必请留出大于外壳直径长度的空闲部分，如果直接在外壳部位焊接，会导致壳内真空浓度的下降,使晶振特性恶化以及晶振芯片的破损。

　　应注意将晶振平放时，不要使之与导脚相碰撞，请放长从外壳部位到线路板为止的导脚长度 (L) ，并使之大于外壳的直径长度(D)。

　　·焊接方法

　　焊接部位仅局限于导脚离开玻璃纤部位 1.0mm 以上的部位，并且请不要对外壳进行焊接。另外，如果利用高温或长时间对导脚部位进行加热，会导致晶振特性的恶化以及晶振的破损。

　　因此，请注意对导脚部位的加热温度要控制在 300°C 以下，且加热时间要控制在5秒以内 (外壳的部位的加热温度要控制在150°C 以下)。

　　SMD型晶振

　　·焊接方法

　　(1) 回流的温度条件。SMD晶振的焊接条件示例 (260°C 峰值: 无铅产品)

　　关于冲洗清洁

　　音叉型晶振由于采用小型、薄型的晶振芯片，以及相对而言频率与超音波清洁器相近，所以会由于共振而容易受到破坏，因此请不要用超音波清洁器来冲洗晶振。

　　关于机械性冲击

　　(1) 从设计角度而言，即使石英晶振从高度75cm处落到硬质木板上三次，按照设计不会发生什么问题，但因落下时的不同条件而异，有可能导致石英芯片的破损。在使之落下或对它施加冲击之时，在使用之前，建议确认一下振荡检查等的条件。

　　(2) SMD石英晶振与电阻以及电容器的芯片产品不同，由于在内部对石英片进行了密封保护，因此关于在自动安装时由于冲击而导致的影响，请在使用之前，恳请贵公司另外进行确认工作。

　　(3) 请尽量避免将本公司的音叉型晶振与机械性振动源(包括超声波振动源)安装到同一块基板上，不得已要安装到同一块基板上时，请确保晶振能正常工作。

原理

　　晶振是石英振荡器的简称，英文名为Crystal，它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。由于制造工艺不断提高，现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都很高，已不容易出现故障，但在选用时仍可留意一下晶振的质量。

　　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。他们有一个很重要的特点，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。

　　晶振在应用具体起到什么作用

　　微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；RC（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5[%]至50[%]范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移（甚至可能损坏）。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰（EMI）、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。

　　上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。

　　选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。CMOS放大器功耗与工作频率成正比，可以表示为功率耗散电容值。比如，HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。在4MHz、5V电源下工作时，相当于1.8mA的电源电流。再加上20pF的晶振负载电容，整个电源电流为2.2mA。陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容，相应地也需要更多的电流。相比之下，晶振模块一般需要电源电流为10mA ~60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频（固定）器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器，如MAX7375，工作在4MHz时只需不到2mA的电流。

设计

　　1：如何选择晶体？