石英晶體振盪器介紹Prepared by :Alan YangIndex1)石英晶片(Quartz)振盪原理2)Crystal & Oscillator 種類與構造3)基本波與倍頻(Fundamental & 3rd Overtone)4)Crystal / Oscillator 種類與應用5)Crystal & Oscillator 參數解析6)振盪迴路搭配分析7)Q & APage.21) 石英晶片(Quartz)振盪原理Page.3Page.4Crystallized quartzmaterial •石英是由矽原子和氧原子組合而成的二氧化矽（Silicon Dioxide, SiO2），以六角柱形式的單結晶結構存在。
(如附圖)•由於石英本身具有壓電效應特性，石英晶體振盪器就是利用此特性製成。
•運用壓電效應可使石英產生振盪，廣泛的運用在電腦、手機等通訊產品及時鐘等等產品上。
石英晶體•正壓電效應•當機械應力加入於一壓電材料時，材料的兩端會伴隨著產生一個與應力大小成比例的電荷(或電壓) ; 當應力方向相反時，電荷的極性(亦即壓電的極性)也隨之逆反。
Page.5•逆壓電效應•當一電位加在晶片表面時, 它就會產生變形或振動現象，掌握這種振動現象，並控制其發生頻率的快慢，以及精確程度，就是水晶震盪器的設計與應用原理。
Page.6石英的切割角度•根據不同的應用及工作溫度需求，搭配不同的石英切割角度種類。
例如AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等Cutting Method & AnglePage.7Page.8•不同的石英切割角度種類，將得到不同的溫度曲線。
•目前最常用的為AT 切割。
(下圖圈選為AT 切割溫度特性)Cutting method & angle V.S. Temp. characteristics•AT切割其頻率對溫度變化為一元三次方曲線(如圖)，在相當寬廣的溫度範圍下, 其頻率對正、負溫度的變化最為對稱。
AT cut Frequency V.S. TemperaturePage.9Page.10•經由不同的石英切割方式，石英晶片展現了各種不同的振動模態。
•下圖為一般常見的振動模態，在實際應用中，石英晶片並不一定祇有單一種振動模態，而有可能存在多種模態於同一石英晶片中；良好的設計，可以壓制其他不希望產生的振動模態(unwanted mode)，來達到主要振動模態的最佳化。
石英的切割角度與振動模態厚度剪切模態thickness shear mode AT / BT 伸縮模態extension mode +5°X / -18.5°X 面剪切模態face shear mode DT / CT / SL 彎曲模態flexure modeXY / NT振盪摸態與石英切割方式2) Crystal & Oscillator 種類與構造Page.11•依產品應用區分為Crystal 與Oscillator兩大類English Japanese ChineseCrystal(X’tal)水晶振動子晶振Oscillator (CXO)水晶發振器鐘振Taiwan石英晶體石英振盪器Page.12Page.13•依產品使用焊接方式區分為SMD 與Dip 兩大類1) SMD Type(Surface Mount Device 表面黏著元件)2) Dip Type(Dual in-line package 雙內線包裝)•SMD Type依其焊封型態又分為Seam 與Glass兩種型式1) SEAM Type2) Glass TypePage.14Crystal 結構(Dip Type)1. BASE (基座)2. SUPPORT (支架)3. BLANK 水晶片4. 電極5. 導電性接著劑6. CAN (封蓋)126345Page.15Page.16Crystal 結構(SMD Type)S a R o n i x -e CE R A 40.000■0823ASolder padsElectrodeLidCeramic BasePage.17CXO 結構(SMD Type)S a R o ni x -e CE R A125M 000■0823ASolder padsElectrodeLidQuartz BlankCeramic BaseICSRe Crystal / Oscillator 產品線SRe SMD石英元件產品線–•Glass Crystal (X’tal)•Seam Crystal (X’tal)•Seam Oscillator (CXO)•Seam Voltage Controlled Oscillator (VCXO)•High Precision CXO•LVPECL/LVDS/HCSLPage.183) 基本波與倍頻Fundamental & 3rd OvertonePage.19Crystal 的等效迴路•Crystal’s Equivalent Circuit：•Crystal SymbolR1L1C1C0•R1：Series Resistance 等效串列電阻(Equivalent series resistance)•L1：Motional Inductance 等效串列電感(Equivalent series inductance)•C1：Motional Capacitance 等效串列電容(Equivalent series capacitance)•C0：Shunt Capacitance (並列靜態電容)Page.20Page.21•3rd Overtone 石英晶片的形成及特性:當外加功率於石英晶片上產生逆壓電效應，即會形成Fundamental ，3rd Overtone…等奇數次諧振頻率，如下圖示:石英晶片厚度越厚(低頻率)越難振盪，倍頻越多越難振盪。
基頻基頻(Fund)(Fund)(Fund)與三倍頻與三倍頻與三倍頻(3rd Overtone)(3rd Overtone)Page.22•厚度振盪模態在石英晶體共振時，除了基本波頻率振盪之外，會同時存在倍頻共振於石英晶體的電極區域之間。
石英基本波與倍頻振盪Quartz blankElectrode 180 °Fundamental 3rd Overtone5rd OvertoneCrystal resonatorElectrode 0°/ 360°Page.23•Fundamental Mode-因為以厚度-剪變振盪石英晶片，所以基本波阻抗會較好。
•3rd Overtone 在倍頻時以厚度-剪變+輪廓+屈曲振盪石英晶片，所以阻抗會較差。
•3rd Overtone 通常為石英晶片加工難以達到的高頻率使用(晶片越薄，頻率越高)。
•低頻率本身阻抗即較中、高頻率阻抗高，振盪3rd Overtone 後阻抗會更難達到要求，通常3rd Overtone 阻抗會是同頻率Fundamental 的2~4倍。
基頻基頻(Fund)(Fund)(Fund)與三倍頻與三倍頻與三倍頻(3rd Overtone)(3rd Overtone)Page.24• A Standard Oscillation circuit ：Fundamental基頻(Fund)振盪迴路•Rf : Feedback Resistance •Rd : Damping Resistance •Cg, Cd : External Capacitance (Gate, Drain capacitor)•CL value is consisted of CL= [(Cd x Cg) / (Cd + Cg)] + Cs (pF)RfRdCg CdX’tal Inverter Fundamental mode ‧Cs ：Stray Capacitance 一般2~6pFPage.25• A Standard Oscillation circuit ：3rd Overtone •通常諧振頻率所讀取的會是信號最強的fundamental ，若要讀取3rdOvertone 的信號則在振盪迴路中需多加一組電容及電感以做高通濾波，將主信號(fundamental)衰減，如附圖：Rf Rd Cg Cd X’tal InverterCL•The table below shows the match values of L, C for 3rd overtone mode by various frequency:3rd Overtone C,L 不同頻段參考值Page.26Page.27•三倍頻線路設計和基本波的線路設計大致相同，但回饋電阻( Feedback resistor) 一般會較小。
由電阻產生的感應通道(Inductive admittance)會大於基本波。
負載電容所產生的感應通道，因此壓抑了基本波的振盪。
•fundamental 及3rd Overtone 如何選擇 一般頻率的應用範圍:＊基本波應用範圍: 40MHz 以下＊三倍頻應用範圍: 因考量石英晶片機械加工的困難度通常40MHz 以上使用。
以上為一般準則，但在小size 及特殊要求情況，也有製作基本波40MHz 以上的頻點。
基頻基頻(Fund)(Fund)(Fund)與三倍頻與三倍頻與三倍頻(3rd Overtone)(3rd Overtone)4) Crystal / Oscillator 種類與應用Page.28Crystal / Oscillator應用Page.29Page.30Crystal / Oscillator 主要應用區分•時脈/計時功能(如:Timing,Reset…)•資料傳輸(如:USB,硬碟存取,讀卡機…)•頻率源(如:手機傳輸,藍芽傳輸,GPS…)Crystal 與Oscillator主要搭配應用 主要搭配應用行動電話數位相機 無線網卡 路由器振盪線路隨身碟筆記型電腦Page.31Crystal 與Oscillator應用上的差異 應用上的差異 • Crystal 與 Oscillator產品應用功能上的不同ICPage.32Crystal 與Oscillator應用上的差異 應用上的差異 • Crystal 必須接上適合的振盪電路才會振盪優點：價格低。
體積小。
設計彈性大。
缺點：震盪受外界零件影響較大。
EMC對策: 金屬外殼接地。
接線要短、四周要有地作 屏蔽。
• Oscillator 上電即可振盪，再搭配應用電路優點：無需震盪電路。