石英晶體應(yīng)用與可靠性_圖文

1、石英晶體 英 體 應(yīng)用與可靠性 C Copyright, i ht 1998 © 2003 © ©, Arthur Arth rL Lee Technical Director 1 Hong Kong Xtals Limited. 什么是石英晶振？ 生產(chǎn)工程師 生產(chǎn)工程師： 當你的電子板出現(xiàn)問題，它是第 當你的 子板 現(xiàn)問題 是第 一個被替代的元件！ 采購人員： 是一種很難找到”可靠”供應(yīng)商的 元件！ 研發(fā)工程人員： 一個難以理解的小黑盒！ Hong Kong Xtals Limited 2 什么是石英晶振？ 晶振是一個壓電元件，即： 能量在電能與機械能狀態(tài)下每

2、秒轉(zhuǎn)換百萬次 所以，壓電元件的規(guī)格特性要求不同於其他純電氣或 純機械的元件 : 電阻純電氣 螺釘純機械 Hong Kong Xtals Limited 3 HC-49U石英晶體的結(jié)構(gòu) 外殼 殼 兩面銀電極 機械能 Mechanical Energy Stress and Motion 石英晶片（白片） 導(dǎo)電銀膠 壓力和及運動 壓力和及 動 底座 注入干凈、 注入干凈 干燥的惰性 氣體 電能 Electrical Energy Voltage & Current 電壓及電流 4 Hong Kong Xtals Limited 石英晶體的(簡化理論模型 L1, , C1 : 機械能應(yīng)力及運

3、動 電能電壓及電流 Co : 靜電容 RS ( ESR : 能量耗損 Rs : (ESR E R Equivalent i l tS Series i R Resistance it 串聯(lián)電阻 Co : (Shunt Capacitance Electrode Capacitance靜電容 C1 : (Cm Motional Capacitance 動態(tài)電容 L1 : (Lm Motional Inductance 動態(tài)電感 5 Hong Kong Xtals Limited 晶體抗特性晶體阻抗特性 Rs，Co，C1和L1會提供關(guān)于晶體阻抗跟頻率的關(guān)系，此關(guān)系可用數(shù)學(xué)計算但其有效范圍只是在工作

4、此關(guān)系可用數(shù)學(xué)計算。但其有效范圍, 只是在工作頻率的幾百ppm附近。 J part of Crystal Impedence晶體阻抗的J部份Hong Kong Xtals Limited6頻率如何標定晶體規(guī)格 如何標定晶體規(guī)格?首先需了解你電子線路的特性; 從而標定晶體的電子規(guī)格標定晶體的電子規(guī)格。然後再加上產(chǎn)品的環(huán)境要求, 從而標定晶體。再而考慮加上晶體有關(guān)的可靠性規(guī)格。 Hong Kong Xtals Limited7 電子線路與產(chǎn)品要求 Copyright 1998©2003©8Copyright, 1998 ©, 2003 ©Hong Kong

5、Xtals Limited.簡單的英振蕩結(jié)構(gòu)簡單的石英振蕩器結(jié)構(gòu) 振蕩器有3個主要部份 :放大器放大器,相位補償網(wǎng)絡(luò)和晶體晶體僅為整個振蕩器環(huán)路中三個部份中的其中一9部份.Hong Kong Xtals Limited振蕩的等效模式振蕩器的等效模式 D i L lHong Kong Xtals Limited10Drive Level =Vx * IxVxRL XLe= - XCL 線路基本特性 (簡化 放大器和相位補償網(wǎng)絡(luò)的特性( 簡化:增益&相移->負阻>FR FL (相移-> FR 或FL (及CL 電壓振幅及相移-> 激勵電平小波幅增益-> 起功特

6、性Hong Kong Xtals Limited11如何測量電路參數(shù) 如何測量電路參數(shù)?相當困難!晶體是在高阻抗及小電容下操作的.因此,插入任何測試探針都將影響它的操作環(huán)境:示波器探頭(2PF20PF:太大矢量電壓表探頭(50Ohm:負荷太大建議將你的PCB板送交晶體供應(yīng)商測試建議將你的PCB板送交晶體供應(yīng)商測試.Hong Kong Xtals Limited12 負阻抗及最大ESR 振蕩線路的負阻是線路能維持正常工作時(正常振蕩波幅, 晶體的可容許最大阻抗不過在以下情況下負阻抗可能有變化的可容許最大阻抗。不過，在以下情況下負阻抗可能有變化:電源變化溫度變化元件批量的誤差啟動晶體的電阻可能隨激

7、勵電平及溫度的變化而變化。因此，通常情況下，建議標定晶體的最大電阻等于負阻抗的1/3(到1/10。Hong Kong Xtals Limited13激勵電的定義激勵電平的定義 字面上的定義,很簡單,激勵電平（工作狀態(tài)）=能量在晶體中的消耗=電壓Vx與電流Ix的矢量積類似電阻的功率,但電阻的標定功率是指最大可容許功率,對晶體而言標定最大的激勵電平是毫無意義的的激勵電平是毫無意義的.對電阻你只會要求多少%的精度，而不會要求多少個ppm(parts per million 百萬分之幾 的精度。對晶體你要求多少個ppm的精度就必須標明工作狀態(tài)的激勵電平(功率對晶體，你要求多少個ppm的精度，就必須標明

8、工作狀態(tài)的激勵電平(功率工作狀態(tài)的激勵電平其取決于線路,而不是晶體.晶體生產(chǎn)廠家在此激勵電平下測試晶體晶體生產(chǎn)廠家在此激勵電平下測試晶體.電流測試會影響相角(CL.Hong Kong Xtals Limited14( 什么是負載電容 (CL ?Load 負載電容反映線路的相位偏移。Negative Resistance Capacitance 晶體可以在0到90度之間任一相移下工作,所以,每只晶體都有”串聯(lián)諧振”和”負載諧振”晶體制造廠家會在特定的相位下調(diào)整晶體的頻率般在合理範圍(12F 的頻率。一般在合理範圍(>12pF,不會影響只會影響銷售/存貨等間接成本RL XLe= - XCL成

9、本。調(diào)整線路的負載電容可能影響線路的負阻Hong Kong Xtals Limited15對合理用量(50K/月 的產(chǎn)品不用考慮甚么是”標準”負載電容。 FS, FR, FL and FA 晶體阻抗及頻率曲線F A tiFr ( CL = infinity Fa = （Anti-Resonance Frequency延 伸到無窮值的阻抗J部份的頻率;沒有必要標定FAFrequencySmaller CLLarger CL FS, RS and FR, RR在零相位時: 晶體頻率= FR ( Resonant Frequency諧振頻率 . 2Impedance = RR , No imagin

10、ary part阻抗=RR,虛部為零Fs 為諧振頻率(零相位，F(xiàn)s為串聯(lián)頻率, 定義不同；60MHz以下：Fs = Fr，Rs(ESR = Rr120MH 以上由于C0的阻抗晶體沒有零相位因此Co120MHz以上：由于C0的阻抗，晶體沒有零相位，因此，F(xiàn)R及RR不存在。 FL, RL and FP, RP 在零相位(包括外接負載CL Frequency =FL FP 為同義q y (RS 2 . Ideal (RL 會有比較大的測試誤差,因此不要在規(guī)格內(nèi)標定。請標定ESR。不過故設(shè)計時必需考慮不過，RL 是線路上體現(xiàn)出的實際阻抗, 故設(shè)計時必需考慮。如何標定頻率電如何標定頻率及電阻 描述振蕩器

11、在運作中的精確頻率,如下:如果你想要3rd O/T 36MHz,請描述36MHz,不是12MHz.如果電路在零相位請描述:Fr,及Rr 等如果電路在滯后相位請描述FL CL及如果電路在滯后相位請描述: FL,CL及RR如何標定Co? 如果你的頻率在100MH以下那么C的值如果你的頻率在100MHz以下,那么Co的值就不重要了.在這種情況下,標定Co<7pF是無害的,且Co 7p 是無害的,且亦毫無意義. 高頻時如何標定 高頻時,如何標定Co在高頻率下(約>100MHz，Co的阻抗值變得非常小，因此Fr不存在(沒有零相位此時晶體就象一個電容器存在(沒有零相位，此時，晶體就象一個電容器

12、通常需要外加電感來抵銷Co, 以得出零相位 。在這種情況下, 需要標定Co = 供應(yīng)商提供值+/-15% Hong Kong Xtals Limited21牽引的規(guī)格 需要在晶振工作時改變振蕩器頻率這種應(yīng)用為牽引應(yīng)用(如FM,VCXO,PLL FSK 等用這其中的任何個參數(shù)說明拉力都是獨立用這其中的任何一個參數(shù)說明拉力都是獨立有效的:Ts,FL1-FL2,DF這些參數(shù)也可說明牽引量,但較為間接C1L1C Q 盡量不要采用:C1,L1,Co,Q, 盡量不要采用。Hong Kong Xtals Limited22牽引量的規(guī)格 需要在晶振工作時改變振蕩器頻率這種應(yīng)用為牽引應(yīng)用(如FM,VCXO,PL

13、L FSK 等,就需要標定牽引量: Ts 如, , 等,就需要標定牽引量Trimming Sensitivity 計量單位為ppm/pF Ts1Co CL 用這其中的任何一個參數(shù)來標定牽引量都是獨立有效的T FL1FL2DF:Ts,FL1-FL2,DF在高牽引量的應(yīng)用，可中考慮使用Fs。如果用在簡單的振蕩器應(yīng)用規(guī)定最大可容許的Ts可得到Hong Kong Xtals Limited23如果用在簡單的振蕩器應(yīng)用,規(guī)定最大可容許的Ts可得到更高的Q值。不多次重覆標定牽引量特性 不要多次重覆標定牽引量特性僅用一個參數(shù)說明牽引量s Effective g r a n g e pulling range

14、P u l l i n Co C1Ts每個晶體僅有一個牽引量特性,如再多一些標定只會產(chǎn)生混亂及矛盾。Hong Kong Xtals Limited24不用來標定牽引量 不要用Co來標定牽引量L1,Co,Q只是間接體現(xiàn)牽引力.不同的晶體設(shè)計生產(chǎn)工蕓及材料即使晶體不同的晶體設(shè)計，生產(chǎn)工蕓及材料，即使晶體的Co相同，其牽引也可能不同。因此，不要用Co來表示牽引量用Co來表示牽引量。一些晶體生產(chǎn)廠可能會用C1對牽引量作晶體生產(chǎn)過程的控制，這是可以接受的.Hong Kong Xtals Limited25AT切溫度特性AT 切溫度特性 對AT切,通常溫度變化-10至+60,頻率在+/-30到50ppm是

15、很容易做到的=0PPM通常設(shè)25度C為參考點 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切溫度特性 溫度變化時BT切頻率通常變化大于200PPM習(xí)慣上25度C為0PPM 參考點?？煽紤]25度C為80PPM 參考點跌落能力較強，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音基頻泛音和基頻 Hong Kong Xtals Limited28頻率散差的誤差估算 z要素1：最重要是你的產(chǎn)品最大可允許的頻率誤差是多少? z要素2：晶體工作在Fs上還是在FL上(CL是多少?這會影響到測量誤差z要素3：線路需要頻率牽引嗎? (FM,PLL,VCXO 等,需頻率牽引這會影響晶體的測量誤差及頻率的變化會隨牽引 這會影響晶體的Ts，測量誤差及頻率的變化會隨

17、外部元件而有所改變。z要素4：在線路上是否有調(diào)頻元件，(例如VC或者VL測試偏差及器件變化在生產(chǎn)時可以糾正。Hong Kong Xtals Limited29頻率總誤差之估算(沒有VC 線路中無可調(diào)元件，例如VC可調(diào)電容）或者VL可調(diào)電感）Example :注意：測量誤差可能會很大!這估算還未包含電源及溫度對半導(dǎo)體的影響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頻率總誤差之估算(有 頻率總誤差之估算(有VC線路中有可調(diào)元件，例如VC可調(diào)電容）或者VL可調(diào)電感）注意：這估算還未包含電源及溫度對半導(dǎo)體的影響如果標定的CL不對,你有可能調(diào)不到所需要的頻率。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結(jié)論通用晶體規(guī)格 結(jié)論：通用晶體規(guī)格石英晶體的基本參數(shù)頻率，電阻，CL，CO，L1及C1牽引能力室溫頻差和溫度變化范圍頻差A(yù)

20、T切或者BT切基頻及泛音Hong Kong Xtals Limited32 可靠性 33Copyright, 1998© Hong Kong Xtals Limited.可靠性 可靠性：睡眠晶體 DLD：激勵電平倚賴性啟動電阻跌落測試寄生模式Hong Kong Xtals Limited34溫度循環(huán)睡晶體睡眠晶體 在晶體行業(yè)中，睡眠晶體是眾所周知的：因睡眠現(xiàn)象而不起振的晶體常受到外界的激勵（機械或者因睡眠現(xiàn)象而不起振的晶體，常受到外界的激勵（機械或者電子的 會重新工作，然而過了一段時間之后，晶體又會進入睡眠狀態(tài)不起振。晶體再次進入睡眠的時間是無法估計或預(yù)測到的短則晶體再次進入睡眠的時

21、間是無法估計或預(yù)測到的，短則幾分種，長則幾個月.并不是所有的廠家都知道怎樣避免生產(chǎn)出睡眠晶體，因而有些廠家不愿意跟晶體用戶一起討論這一話題。根本原因：生產(chǎn)晶振時潔凈度不足無法醫(yī)治睡眠晶體早晚會再次進入睡眠狀態(tài)無法醫(yī)治：睡眠晶體早晚會再次進入睡眠狀態(tài)測試方法：激勵電平依賴性或強激勵Hong Kong Xtals Limited35激勵電依賴性或起動抗 激勵電平依賴性或起動阻抗與睡眠晶體相似，但情況比較輕微。如果你的線路有起振問題，你必須指定額外的，在微激勵下阻抗需求。DLD 規(guī)格來自線路上的激勵電平和始起增益。不要提出過嚴要求因為會增加成本不要提出過嚴要求，因為會增加成本。7 456123ESR

22、 Hong Kong Xtals Limited36Drive Level在10nW, 時, Rs=37在100uW Rs=31, 非最理想的生產(chǎn)工藝. 但可DLD 晶體常規(guī) 考慮實際的振蕩線路，晶體可能是可接受的，也可以是不能接受的。這變化因激勵的上限引至，并非生產(chǎn)工藝不好。KolinkerKH1200Test dataHong Kong Xtals Limited37DLD規(guī)格的制定 諮詢晶體供應(yīng)商你的線路激勵功率及線路是否有啟動問題。規(guī)格與晶體供應(yīng)商共同標定DLD 規(guī)格。Hong Kong Xtals Limited38跌落測試 非常重要的可靠性參數(shù)如果晶振加工不良，運輸過程亦可做成不良

23、不要提出過嚴要求，因為會增加成本。普通的跌落指標：16M 以下50 cm 跌落三次>= 16 MHz35 cm 跌落三次建議採用沖擊測試替代, 如:1000 g, 半正弦波, 0.24 mSec, 三次Hong Kong Xtals Limited39寄生模式 寄生振蕩總是存在的寄生模式是由于主振（AT 厚度切變）的振動能量藕合至其它不需要的振動方式而引起的，就象你敲擊吉他上的弦而產(chǎn)生的基頻，它總會伴隨著產(chǎn)生其它的諧音和非諧音的頻率、偶合(couple mode的同義名詞:寄生(Spurious mode;非諧音(Inharmonic mode;不要的振蕩(unwanted mode需要的最小比率規(guī)格：電阻（寄生模式）/電阻（主振模式）> 2.5如果