一文吃透石英晶体谐振器，从原理到工艺全讲透

一． 石英晶体：石英晶体又称水晶，成分 SiO2，它不仅是重要的压

电材料而且是较好的光学材料。人造水晶是在高温高压下结晶而成的。石英晶体有压电特性：在机械力的作用下，晶体会产生电荷。在电场的作用下，晶体内部产生应力而形变，从而产生机械振动，获得特定的频率。我们利用它的这种逆压电效应特性来制造石英晶体谐振器。

二．石英晶体谐振器：石英晶体谐振器是由石英晶体切片制成。

上图中（a）晶体的形状 （b）晶体的切型 （c）电路符号

三． 等效电路：

上图中

C0 静电容，石英晶体谐振器的固有电容。单位：pF。

C0=Ae/t *ε22=0.0402*（Ae/t）

C1 动态电容，石英晶体谐振器的等效电容。单位：fF。

C1=KC*(Ae/t)*(1/n2 ) Kc:电容常数

L1 动态电感，石英晶体谐振器的等效电感。单位：mH。

L1=KL*(t3 /Ae) KL:电感常数

R1 等效电阻，石英晶体谐振器的等效电阻。单位：Ω。

四． 振动模式（切型）：

石英晶体的振动模式有以下六种，不同的切割角度决定了振动模式，也决定了性能。最常用的振动模式为厚度剪切模式中的 AT 切、BT切，以及 AT 切的三次泛音。

五． 泛音响应：

在电路中需要使用的谐振频率很高的情况下，会用到 AT 切的三次甚至五次泛音。与基频使用时不同的地方是电路中需增加滤波电路，以去除基频（三次泛音）。

六． 温度特性：

以 25℃为基准，各温度下石英晶体谐振器的频率随温度的变化，单位是 ppm。AT 切的温度曲线是三次曲线，变化最小，可以做到从-40℃--+85℃，频率变化小于 30ppm。BT 切的温度曲线是抛物线型的，其零点在 25℃附近，在-40℃--+85℃的范围内，其最大频率变化有可能会达到 100ppm。音叉型的柱晶（32.768KHz）的温度特性也是这样。

下图表示的是 AT 切石英晶体谐振器的切割角度与温度特性的关系，由图中可知：可以通过调整晶片的切割角度来调整石英晶体谐振器的温度特性。

1.2 石英晶体谐振器分类：

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)，柱状晶振按照体积可以分为 3*9、3*8、2*6、、1*5、、1*4 等等。

代表型号 JU308/JU206，单位 KHz,，典型频率为 32.768KHz，晶片是音叉型的，主要用于时钟电路，通常称表晶；另一种单位为 MHz,通常称柱晶。

贴片型是按大小和脚位来分类。例如 7*5(7050)、6*3.5(6035)、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。

常用的外形尺寸见下表，尺寸单位为 mm。

引线产品的尺寸如上表，49S/SMD 的尺寸基本同 49S。

SMD 型石英晶体谐振器的尺寸：

注：6035、5032 的引出点有 4 点和 2 点之分。

1.3 石英晶体谐振器的性能及指标：

一． 使用温度范围：

石英晶体谐振器在电路工作时的温度范围。需注意的是此指标必须与温度频差同时使用。在一般的电子产品中，其使用温度范围常为-20℃-- +70℃；而汽车电子用则常为-40℃--+85℃和-40℃ -- +125℃。

二． 储存温度范围：

保存石英晶体谐振器的温度范围。一般的，此范围比使用温度范围稍宽。

三． 激励电平：（激励功率）单位 uW。

是电路中用来驱动石英晶体谐振器所用的功率。在用网络分析仪测试晶体时需注意设定，目前测试时一般使用 10 或 50 或100uW 的激励电平。

四． 谐振频率（Fs/FR）、负载频率（FL）

1 谐振频率（Fs/FR）是指没有外加负载电容时测得的串联谐振频率。可以通过计算得到，其计算公式为：Fs=1/（2π√L1*C1）。

2 负载频率（FL）：在实际使用时，晶体会外接电容 CL，频率会因此改变，测试时在设定一个电容值的情况下测得的频率为负载频率。

同一只晶体其负载电容越大，频率越低。FL=FR*√1+C1/(CL+C0)AT 切、BT 切晶体的频率只与晶片的厚度有关，其计算公式为：F=K/t 。AT 切 K=1660，BT 切 K=2550，t-- 晶片的厚度、单位为毫米时，频率为 KHz。

3 频率的单位：赫兹，Hz。1MHz=106 Hz，1KHz=103 Hz。

五． 常温频差、温度频差：

1 常温频差（调整频差）：石英晶体谐振器相对于标称频率的偏差，一般用 ppm 表示，即 10-6。如一只 10MHz 的晶体其频差为 20ppm，则这只晶体的实际频率为 10000000+10*20=10000200Hz。

2 温度频差：以单只晶体在 25℃时的频率为基准，在规定的温度范围内，相对于 25℃时的频率变化。单位 ppm。一般在进行温度频差测试时，测 Fr。FL 和 Fr 的温度曲线不完全一样。

六 .频率牵引灵敏度：

频率牵引灵敏度：在负载电容变化的情况下，频率的相对变化。用Ts 来表示（也有用 S 来表示的），单位 ppm/pF。Ts=C1/[2(C0+CL)2 ]，由公式可以看出，负载电容或静态电容加大则 Ts 变小。

七. 晶体的激励电平依赖性(DLD)：

所谓晶体的激励电平依赖性顾名思义是指石英晶体的性能和激励电平之间的关系。具体品种和使用场合不同，要求的指标也不尽相同。主要有频率、电阻随激励电平的变化。一般来说，低频晶体 DLD-R是主要的不合格项，而高频时则多表现为 DLD-F 不合格。DLD 的测试一般都需指定激励电平的范围和测试点的数量及取点方式，目前常用的范围是：10nW—100uW，20 个点，按 250B 的默认方式取点。

即使是 DLD-R 和 DLD-F 也有很多的指标，例如在 250B 测试系统中，光 DLD-R 的指标就有 8 种。常用的 DLD-R 指标有两种 DLD2和 RLD2，DLD2 是在激励电平范围内最大电阻和最小电阻的差值，而 RLD2 则是最大电阻。

DLD2 衡量的是晶体在整个激励电平范围内的电阻稳定性，其指标随应用场合的不同而不同。在最低要求时，取电阻值的一半，一般要求时取电阻值的三分之一，通讯电子应用时则为电阻值的四分之一。测试 RLD 的目的则是找出在整个激励电平范围内的最大电阻，以考察晶体是否可以满足电路的使用要求。其值一般等于晶体的电阻要求，在要求低一些的时候取电阻值的 1.2 倍。DLD-F 测试晶体在激励电平范围内的频率变化，单位 ppm。一般取值为±5ppm。

影响 DLD 的主要因素有晶片本身、工艺过程中的污染、粉尘、胶点的不均匀、活动的银颗粒等。DLD 的图形如下：（测试仪 250B）

八 .寄生响应：

所有石英谐振器均有寄生(在主频率之外的不期望出现的)振荡响应。 寄生响应的阻抗 RNW 与主谐振波的阻抗 Rr 的比例通常以衰减常数 dB 来表示，并被定义为寄生衰减aNW=-20*lg (RNW/Rr)对于振荡用晶体，3 至 6dB 是完全足够的．对于滤波用晶体，通常的要求是超过 40dB。这一规格要求只有通过特殊设计工艺并使用数值非常小的动态电容方能达到。

可达到的衰减随着频率的上升和泛音次数的增加而减小．通常的平面石英晶片比平凸或双面凸晶片的寄生衰减要良好．在确定寄生响应参数时，应同时确定一个可接受的寄生衰减水平以及寄生频率与主振频率的相对关系。

在 AT 切型中，对于平面晶片，"寄生响应"只存在于主响应的+40至+150KHz 之间，对于平凸或双面凸的晶片，寄生则在+200 至+400KHz 之间。在测试寄生时必须规定测试的范围和测试点。

下图是没有寄生的典型图形。

49S 支架图片

1 支架在石英晶体谐振器中的作用有三：

1)承载晶片。

2)晶体的电气引出。

3)与外壳一起形成密闭空间。

2 支架的性能：

弹片清洁、光亮、无变形、镀层无变色，引线光亮、清洁，可焊性合格。

3 材料：引线—镀锡可伐丝，基板—铁，弹片—镀银锌白铜片。

4 重要尺寸：弹片间距：根据晶片长度选用，有 6.6/8.1/8.3 三种。

5 其他：主要供应商：苏州贝思、上海晶丰申。

二．SMD 用底座：

1 底座的作用与支架相同。

2 底座的性能：外观清洁、光亮，金镀层无变色，可伐环位置正确，镀层良好。

3 材料：结构材料为氧化铝陶瓷，与上盖连接处是可伐材料，引出点为镀金材料。

4 重要尺寸：内腔大小、点胶点尺寸、高度等。

5 其他：主要供应商：住友、NTK、京瓷。

§3.3 导电胶：

1 导电胶的作用有二：

1）将晶片固定在底座（支架）上；

2）通过导电胶实现晶片与底座（支架）的电气连接。

2 导点胶的性能：粘度、烤胶温度、外观均匀无明显颗粒。

3 材料：银粉（片式+球状）和有机树脂加上少量的溶剂及填充材料。

49S 用 3301F 或 3302B，SMD 用 3303G（3303N）。

4 贮存和使用注意事项：

5 其他：生产商：三键化工。

§3.4 银丝（银粒）：

1 银丝（银粒）的作用：形成电极，调整频率。

2 要求：纯度 99.99%，直径满足定货要求，粗细均匀，银粒的长短

一致。表面光亮无污。

3 其他：主要供应商：昆山光洋、上海永胜。

§4 应用概述：

石英晶体谐振器多用于在电路中构成振荡器，基本的振荡电路有三种。它们是皮尔斯电路、考毕兹电路和克拉普电路，门电路振荡器属皮尔斯振荡，在数字系统中比较常用。

晶体的负载电容（CL）和电路中安装在晶体两边的电容（Cg、Cd）的配合应符合以下公式：CL=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)+Cs，Cs 是电路中的杂散电容，其数值为 3—5pF，一般情况下取 5pF。

三种振荡电路如下图