标签: 谐振器

石英晶体在电路中用作时间或者频率基准源，堪称设备的心脏。石英晶体具有压电效应。如果对石英晶片施加压力，晶片上会产生电荷；反之，对晶片两端的电极施加电压时，晶体会产生机械变形。 传统滤波器=谐振器+谐振器+... 滤波器是无线通信的重要元器件，目的是让需要的信号通过，不需要的信号排除在外。传统的晶体滤波器就是由多个石英晶体谐振器组成的： 谐振器和滤波器的等效电路 谐振器 石英晶体的压电谐振现象可以用等效电路来模拟：等效电路包括静态电容C0,动态电容C1,谐振电阻R1,以及动态电感L1 滤波器 滤波器的原理也可以用等效电路解释： L1/C1,L2/C2：两个串联谐振电路，由晶片的尺寸和性能决定。 L3: 谐振电路之间的内部耦合，通常等于k x L1, 假设L1=L2，可以从宽带(B)除以中心频率F0来计算。耦合常数一般为0.0005. Co: 输入和输出的顶部和底部点击之间的寄生电容。 Cp 滤波器谐振元件上的寄生漏电容。数值尽可能小，防止滤波器的信号泄露，从而损害阻带衰减性能。 石英晶体滤波器的发展 传统的晶体滤波器(Crystal Filter)是是由多个独立的石英晶体振荡器组成，尺寸会很大，需要仔细的设计和组装。随着元器件小型化的发展趋势，单片石英晶体滤波器将几个“极点”整合到单个石英晶片上，通常叫做M.C.F(Monolithic Crytal Filter)。整合的方式有以下两种：使用成对的电极或共用一个接地电极。 相同电极 两组相同的电极，在晶片的顶部和底部。类似于石英晶体谐振器，MCF的晶片使用AT切割。多组电极之间会在晶片上产生声波耦合，从而产生滤波功能。 （MCF概念图） 公共接地电极 单个电极镀在表面上，充当两个电极的公共接地，一个用于输入，另一个用于顶部的输出。 晶体滤波器的主要参数为中心频率，通带宽度，插入损耗，带内波动，阻带宽度，阻带损耗，纹波，截止频率，带内驻波比，阻带抑制度，延迟，带内相位线性度。 单片晶体滤波器MCF用于在无线电基站和其它高性能无线电接收器等RF设计应用中提供小而有效的带通滤波器。 KOAN晶体滤波器的封装有直插以及贴片的选择： 49T/UM-1/UM-5直插封装：常用频率10.7MHz，21.4MHz，45.0MHz SMD7050贴片系列,2/4poles, 常用频率21.4MHz, 21.7MHz, 38.85MHz, 44.85MHz, 45MHz, 46.35MHz, 49.95MHz, 50.85MHz, 51.65MHz, 58.05MHz。

在频率元器件中，32.768kHz最引人注目、产品线最丰富的一个频点，凡是搭载时间功能的电子设备都会用到32.768kHz晶振，而32.768kHz实时时钟模块（RTC模块）作为时间基准大量应用于日常生活中。 32.768kHz谐振器 32.768kHz石英谐振器（quartz crystal）是最常用的基础频率元件（Tuning Fork Quartz Crystal），日常生活中的手表、手机、电脑、户外LED显示屏、广告牌上显示的钟就是由它演变过来的。32768Hz是一个非常重要的标准频率，因为32768等于2的15次方，32768Hz经过15次分频即可得到1秒钟的时间信号。 图1. 32.768kHz谐振器用作MCU的LSE时钟源 32.768kHz谐振器主要用于实时时钟应用，也是MCU低速外部时钟（LSE）的信号源。MCU时钟源常用的32.768kHz石英晶体典型参数如下： - 频率：32.7680kHz - 频率偏差：±20.00ppm（@25°C ±5°C） - 老化：±5ppm max（@25°C±3°C /年） - 拐点温度：25°C ±5°C - 频率稳定性：（0.036ppm±10%)/°C2 - 负载电容（CL）：6.0pF to 12.5pF - 寄生电容（C0）：1.4pF typ - 驱动电平：0.1μW typ, 0.3μW max - 工作温度：-40 to 85°C 需要注意的是，采用外部晶体作为时钟源时，如果MCU相邻脚的输入输出为高频脉冲，就会干扰32.768kHz信号，引起抖动，从而影响时序并造成计时偏差。因此，外部晶振的邻脚不要用做高频信号的输入输出口。 32.768kHz振荡器 32.768kHz晶体振荡器（crystal oscillators）属于精密频率器件，由32.768kHz晶体与CMOS振荡电路一体化组装而成。因此，使用时不用外接任何额外元件，典型应用包括数字系统的通用时钟发生器、RTC的时钟驱动器、网络服务器和电脑的时钟保持、移动电话、现场通信设备、水电气三表应用等。 图2. 32.768kHz晶体振荡器及内部结构 常用的32.768kHz振荡器典型性能及要求如下： - 超低功耗：一般不超过300nA - 宽泛的输入电压：1.2V to 5.5V - 工作温度：-10°C to +85°C - 频差幅度窄：±20ppm - 出色振荡稳定性：0.2ppm/V - 良好的输出同步性能 - 较低的老化衰变 - 能承受移动的冲击和震动 RTC模块 RTC模块是将32.768kHz晶体振荡器和实时时钟芯片合为一体的产品，具备振荡电路、时钟功能、日历功能和报警功能等。为了获得更精确的时间，模块应采用高精度的频率振子（石英晶片）和控制元器件的芯片，并注意晶体振荡器和RTC芯片之间的最佳匹配。 图3. RTC模块组成 RTC模块面向特定应用，要求具有高精度、高稳定、低耗电，支持I2C总线，提供日历信息及闹钟、定时器等功能。由于普通音叉晶体（Tuning Fork Quartz Crystal）的温度特性不佳，一些面向金融、电力、通信等应用的RTC模块使用TCXO来提高频率精度。如爱普生RX-4803LC特征参数如下： ·内建32.768kHz温度补偿振荡器（数字式TCXO）波源 ·频率精度：（-40至+85℃时±3.4×10-6，-40 至+85℃时±5×10-6） ·1/100 秒定时器控制寄存器 ·接口电压范围：1.6V-5.5V ·温度补偿工作电压范围：2.2V-5.5V ·计时（保持）电压范围：1.6V-5.5V ·可选择频率的时钟输出（32.768kHz、1024Hz、1Hz） ·时钟、日历功能、报警功能、定时功能、内建EVIN 输入功能 ·可通过连接端子而作为振荡器（32.768kHz 数字式TCXO）使用 RTC模块为构建高精度同步时间处理系统提供了一个高性能的简单方案，主要应用包括各类钟表、金融系统、电力计量表、安全系统、公路收费系统等。由于不需要调节频率，提高了用户的设计效率、产品质量及上市时间。

晶振是石英晶体谐振器（quartz crystal, Xtal）和晶体振荡器（crystal oscillator, XO）的统称，两者的性能、价格不一样，用法也完全不同。 其中，谐振器（Xtal）是石英晶片的封装体，这个晶片从石英晶体按一定方式切割而成，并经过了整形、抛光、镀电极、调整等一系列真空操作，能以很高的Q值在指定的频率起振。Xtal属于无源元件，不包含起振电路，但在电路分布上与包含驱动电路的IC芯片紧密相连。 晶体振荡器（XO，右）与石英谐振器（Xtal，左）的内部结构 相较而言，晶体振荡器（XO）是一个完整的电路，包含了谐振片（Xtal）、振荡电路、输出驱动器和锁相环电路（PLL）。XO以一定的频率和信号格式输出时钟信号，如CMOS、LVDS、LVPECL等格式。电路中，XO可直接连接MCU等芯片，或者通过缓存的馈送提供特定频率的多个版本。 那么，到底该选择晶体谐振器（Xtal），还是振荡器（XO）？这需要考虑以下指标。 时钟精度要求高吗？ 目前，许多消费类和电池驱动型物联网设备都采用SoC芯片，通常需要时来同步，这样的芯片内部通常集成了振荡电路，只需外接一个石英镜片即可，这时选择谐振器（Xtal）比较合适。 对于高端应用，如数据中心、通信、工业自动化等，应用条件严苛，工作环境较差，通常会外接一个带有保护装置的XO，作为SoC芯片内部PLL的参考时钟。这时如果选择晶体谐振器，宕机的概率比较大。 抖动指标是多少？ 时序抖动（Timing jitter）是衡量时钟信号纯度的有效指标。抖动越小，时钟信号的噪声就越小。由于晶体振动器（XO）担当着系统“心跳”的角色，输出一个清晰、低抖动的时钟信号非常必要。这里，抖动可通过示波器的时域，或相位噪声分析仪的频域进行测量。 需要可变频率吗？ 很多振荡应用只需要一个单一、固定的频率，如16.9344MHz、156.25MHz等。但在某些情况下，却需要振荡器提供可变频率。例如，12G-SDI视频格式就需要在297MHz和297/1.001MHz这两个不同帧率的视频之间切换。 虽然大多数情况下，电子工程师可能并不知道最终设计的准确频率是多少，但是他们需要一个振荡器作为频率参考。对这些应用，理想的方案是选择一个能提供多个频率、已经预先设置并保存的XO晶振，如采用双封、四封的多振荡器产品。 XO晶振的另一形式是I2C可编程晶振。这种晶振具有最大的频率灵活性，在很大频率范围内具有恒定的低抖动性能。这些器件可在线编程，可提供几乎无限数量的频率。 频率稳定性很重要吗？ 频率稳定性指XO晶振的输出频率随温度变化而偏移的大小，以PPM为单位，通常有±20ppm、±50ppm、±100ppm。如果频率偏移超出了应用预期值，就很可能发生时序紊乱。 当然，衡量XO晶振频率特性的还有总体稳定性参数，这个参数还包括了25°C的初始准确度，以及经过一段老化时间后的数值的总和。 同样，石英谐振器经过较长一段时间后，输出频率也会慢慢的发生偏移。在规格书（datasheet）上，有的晶振供应商标出的是25°C一年时间的老化值，有的是10年或更长时间的数值，这也需要引起注意，以免混淆。

石英晶体在电路中用作时间或者频率基准源，堪称设备心脏。决定着电子设备的性能稳定性。 1. Frequency Range频率范围 在频率范围内选择晶体输出频率的标称值。32.768KHz晶体为音叉，MHz为AT切割晶片。 2. Oscillation Mode振荡方式 一般分为基频和泛音两种振荡方式。晶片越薄，振荡频率就越高。由于工艺的限制和晶片破裂的风险，晶片不能无限的薄。为了达到高频，上百mhz的晶体一般采用泛音晶体。20mhz基频的晶片，经过五次泛音就可达到100mhz。KOAN泛音晶体需要电感和电容的配合才可以得到理想的频率; 若不加,则会输出基频。 3. Frequency Tolerance调整频差 常温25℃下，一定的负载电容的晶体频率公差，加工误差。一般频差调整为±5ppm ~ ±30ppm。 4. Load Capacitance负载电容 负载电容是选购晶体必选的参数之一。晶体的频率会根据串联的电容电抗而改变。在串联谐振型电路中，不需要负载电容。CL值大，远端相位噪声好。如果过大，则会难调整到标称频率，不易起振。CL值小，近端相位噪声好，容易调整频率，容易起振。 5. Freq. Stab.温度频差vs温度范围 在一定温度变化范围内的频率变化量，常用ppm表示。保证晶体的输出频率以及各种性能都符合指标的工作温度范围。 6. ESR谐振电阻 简称为ESR, 表征能耗，与Q值成反比。Q值是由生长的水晶料品质决定的，Q值越高，固有频率则越稳定。小型化尺寸晶体的谐振电阻会增大，负载电容会降低。 7. Drive Level激励电平 激励功率的变化会引起晶体频率和谐振阻抗的变化，被称为激励电平相关性，简称DLD。 8. Shunt Capacitance静电容 晶体两引脚之间的电容，是以水晶为介质，由两个金属电极形成的电容，和晶片电极面积(或晶体体积）大小和频率大小正比。 9. Insulation R绝缘电阻 晶体的两焊接端之间的电阻。 10. Aging/Year年老化率 频率随着时间的定向漂移，也称为老化。老化在学术界被认为是‘质量迁移’和‘应力驰豫’这两个原因产生的。

1. 无源晶振指所有谐振器系列，内部没有独立的起振电路，需要外部电路配合，并精准匹配外部电 容才能输出电信号。（见左图） 2. 有源晶振指所有振荡器系列，稳定度高，不受外部电路影响，内部有独立的起振芯片。（见右图） 相比较，无源晶体出现问题的可能性较大，其不起振的主要原因分为本身（晶片损坏，阻抗过大等）和电路原因（匹配不当，杂散电容过大等）。 1. 电容匹配 如果晶体两端的等效电容和标称负载电容存在差异，晶体输出的频率将会和标称工作频率产生偏差，叫做频偏。所以，电路匹配电容 CL1 CL2 加上电路的杂散电容 Cstray ，越接近晶体的负载电容 CL ，晶体输出的频率则越精准。 如果您在匹配电容上有任何的疑问，KOAN凯擎东光有专业的技术人员为您提供在线指导。 2. 圆柱晶体修改引脚 在修改弯曲引脚时，应该避免强制拔出。否则会引起玻璃珠的破裂，因而导致壳内真空浓度下降，从而影响产品的特性。需要压住外壳基座的引脚，从上下方压住弯曲的部位进行修改。在弯曲引脚时，引脚要留下距离外壳 0.5mm 的直线部位。如果不留出，将会导致玻璃珠的破裂。 3. 焊接 如果焊接操作不当，会对晶振造成损伤；严重时直接造成停振；或造成软伤害，晶振还能正常工作，在以后的运行时会突然停振。 焊接分为手工和机器 焊接： 1. 手工焊接烙铁头温度控制在 350°C/3s ，或者 260°C/5s 。 2. 机器 焊接分为波峰焊和回流焊。 4. 使用过程常见问题 在使用中，如果发生: 晶体振荡回路频率不准; 温度变化精 度不准; 批量使用出现不起振的; 工作 一段时间出现不工作的现象; 频率不准确超出出厂标准等等。 晶体质量可能出现问题， 需要联系 供方做质量分析； 如果确认不是晶体质量出现问题，建议考虑晶体振荡回路没有匹配好，是否选型错误，是否有功率问题。 5. 工作一阵后出现停振现象 通过交叉试验来判断是否是晶体损坏。 1. 如果是个别晶体损坏，应考虑 IC 驱动功率是否 设置好； 2. 如果 是批量晶体损坏，可以考虑驱动功率过大问题； 3. 如果电路调试阶段已经发现晶体 有少量不起振，很可能是晶体批次质量存在问题，建议先交给工厂做质量分析。