C0 CL
CL
C1
L1
R1
{
1. Voltage control (VCXO) 2. Temperature compensation (TCXO)
石英晶体谐振器等效电路
1 fs 2π 1 L1C1
等效电路参数间关系
C0 ε A t
C0 r C1
1 Q 2π fSR1C1
d 360 Q df π fs
3、石英晶体振荡器
内含IC，外加电压就可以振荡
石英晶体振荡器内部结构
调整电压
晶体谐振器
输出频率 放大器
振荡
在某一振荡的频率下其闭环相移 = 2n.

当有激励时，最初仅产生噪声信号。噪声中只 有那些频率满足振荡相位条件的，才能形成振荡且 幅度增加。 幅度增加的比例取决于外部条件，如 激励信号、闭环增益、晶体所在网络的带宽等。
_
_
_
+
X
_
_
- + +
+ _
+
X
+
无形变
形变
压电效应能使压电晶体的机械特性和电路信号之间相互转化 。石英在 电场的作用下，有五种机械变化。下页显示的变化模式可以在合适的 电极位置和形状下产生。常用Y-切系列，包括AT、BT和ST切。
Modes of Motion
弯曲模式
延长模式
对角拉伸模式
它是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿措施，以达到在宽温度范围内满足 稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络，补偿后频率稳定度在107~10-6量级。由于其具有良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应 性较强等多方面优点，因而获行了广泛应用。

OCXO, oven controlled crystal oscillator, 恒温控制型.
压电效应
Y
+ _ + + _ + _ + _ + _ _ _ + _ + + + _ + _ + + _ + _ + _ _ + _ + _ _ + _ + + _ _ + + _ + _ _ + _ + _ +
Y
_
+ _ + _ + _ _ + + _ + _ + _ + _ + _ + _ +
z

0
-30o -60o

-90o


y
x xl
The AT, FC, IT, SC, BT, and SBTC-cuts 是零温度 系数切型中的几种。 LC 是用于石英温度计的一种 线性温度系数切型
Y-cut: +90 ppm/0C (厚度切割模式) X-cut: -20 ppm/0C (延长模式)
AT-cut频率温度特性与切割角度的关系
25 20 15 10

R
AT-cut
35¼ o
r m
Z
49o
BT-cut
R m r
8’ 7’ 6’ 5’ 4’
R
Y R -1’ 0’ 1’ 2’ 3’ 4’ 5’
Z
Y-bar quartz
(ppm)
5 0 -5 -10 -15
f f
3’ 2’ 1’ 0’ -1’
成品
用X-ray 测晶片方向
Shielding
Monochromator crystal
检测器
S
X-ray 柱
Copper target X-ray source
被测晶片
测角器 Double-crystal x-ray diffraction（衍射 ）system
污染控制
在制造过程中，污染必须得到控制，否则会带来以下不良后果：
Bonding area Mounting clips
Seal Pins
Base
Top view of cover
等效电路
Spring
Mass
C L
Dashpot 缓冲
R
石英晶体振荡模式、切角、频率范围、厚度或长度 及曲率系数
石英晶体谐振器等效电路
Symbol for crystal unit
石英是什么
石英是拥有以下特性的唯一材料：
• 具有压电效应
• 存在零温度系数的切型
• 存在压力补偿的切型
• 低损耗（高Q） • 容易加工；在正常条件下，除了氟化物腐蚀剂，对所有物质存 在低溶性；硬而不脆。 • 自然界含量丰富；易于低成本大量生长，生成晶体有比较高的 纯度。
石英的压电效应
FIELD along: STRAIN
-20 -25
= 35o 12.5’+ , = 0 for fundamental mode plano-plano AT-cut
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
= 35o 20’ + , = 0 for 5th overtone AT-cut
6’
7’ 8’
80 85 90
-45 -40 -35 -30 -25
-20 -15 -10
Temperature (oC)
SC and AT-cuts的比较
SC-cut 的优势 • 瞬时温度补偿---能适应快速温度变化 • 能做成高稳定的OCXO and MCXO---静态和动态频率温度特性好 • 稳定性高 • 驱动电平低 • 平面压力补偿---边缘压力和弯曲引起的f 较小 • 对辐射的敏感度低 • 较高的电容比 ---振荡器阻抗变化引起的 f 较小 • 电极形状的敏感度低 SC-cut的劣势 : 制造恒温晶振（OCXO）的难度大 (它比 AT-cut 制成 精确的温补晶振 （TCXO） 而言更易制成微机补偿晶振（MCXO） ）
石英晶体谐振器阻抗频率特性
振荡器通常工作区
+ Reactance
谐振, fr
反共振, fa
0
Frequency
-
1 2f C0
晶体谐振器制作工艺
设计 石英 生长
清洗
切割
叠片
车圆
厚度 分类
清洗
蚀刻 (化学试剂)
倒角
角度 确认
X射线 测角度
电镀
支架 准备
安放
点胶
检查
清洗
测试
封口
频率 检查
微调
烘焙
最终 清洗
28
36 54 64 69
1、石英晶体
石英是什么
• 石英是一种压电材料，在自然界中是一种
透明的结晶物 ，它有非常稳定的压电效应， 其化学与机械上的特性在早期的电子实验 中就引起了极大的关注。 • 石英的主要成份为二氧化硅，虽然地壳表 面有14%是由二氧化硅所组成，但相对可使 用的部份却较稀少，主要是因为满足不了 需要的纯度要求以它本身存在缺陷与瑕疵。
● 稳定性
- 老化 - 滞后
- 噪音
- 非线性和阻抗异常 - 频率突变 ● 生产制造 ● 可靠性
晶片周围污染
晶片周围环境和封装过程对谐振器的稳定性有重要影 响。 • 单层能吸附的污染物质在~ 1015 微粒/cm2 之内(光滑 表面) • 10-7托的真空度可含 ~109 气态微粒/cm3
因此: 在 1 cm3 的空间内吸附的污染物质是在10-7托的真空 度内所含气态微粒的106 倍。这些吸附物质将会导致老 化、滞后、噪音等现象。

幅度一直增加，直到因元件的非线性或自动增 益控制引起的增益下降为止。 在稳定状态下闭环增益 = 1。
晶体振荡器缩写

XO…………..Crystal Oscillator晶体振荡器 VCXO………Voltage Controlled Crystal Oscillator压控晶体振荡器 OCXO………Oven Controlled Crystal Oscillator恒温晶体振荡器 TCXO………Temperature Compensated Crystal Oscillator 温度补偿晶体振荡器 TCVCXO..…Temperature Compensated/Voltage Controlled Crystal Oscillator温度补偿/压控晶体振荡器 OCVCXO.….Oven Controlled/Voltage Controlled Crystal Oscillator 恒温/压控晶体振荡器 MCXO………Microcomputer Compensated Crystal Oscillator 微机补偿晶体振荡器 RbXO……….Rubidium-Crystal Oscillator铷晶体振荡器
石英晶体谐振器的优点
1、稳定性好，变化小； 2、准确性好，精度高； 3、低功耗，激励功率小； 4、固定性（非可调式）。
石英晶体谐振器的构造
Two-point Mount Package Three- and Four-point Mount Package
Quartz blank Cover Electrodes Quartz blank Bonding area Cover Mounting clips Seal Pins Base
晶振教程
SSEEC FA研发中心
SY
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目录
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