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首頁晶振行業(yè)動態(tài) 詳細(xì)了解電子數(shù)碼產(chǎn)品背后的晶振

詳細(xì)了解電子數(shù)碼產(chǎn)品背后的晶振

來源:http://m.arucbtxo.cn 作者:技術(shù)部 2014年03月01
           在今天的的電子數(shù)碼產(chǎn)品中基本上每一款數(shù)碼產(chǎn)品的背后都會有一顆石英晶振,或者是,陶瓷晶振,那么晶振在電子數(shù)碼產(chǎn)品中又扮演什么樣的角色呢?在電子數(shù)碼產(chǎn)品中又起到了什么樣的作用呢?晶振本身的原來又是什么呢?帶著這一系列的問題,以下我們來一一解答!

     陶瓷晶振主芯片是多種化學(xué)物凝結(jié)而成的,其中有鉛,鉻,泥土等化學(xué)物合成,外觀是直接采用泥土包封,所以簡稱為陶瓷晶振,陶瓷晶振一般應(yīng)用在比較低端的家用電子產(chǎn)品,或者是兒童游戲玩具產(chǎn)品,因其本身精度不高,所以應(yīng)用的產(chǎn)品也就一般,高精度的陶瓷諧振器也就是千分之1,一般常規(guī)的也就千分之3或者是千分之5,相對石英晶振的精度來說就相差盛遠(yuǎn)了,石英晶振的精度一般情況下都能達(dá)到20ppm的精度,在精確一些的能達(dá)到+-5ppm的精度,所以一般比較高端一些的數(shù)碼產(chǎn)品在產(chǎn)品線路設(shè)計(jì)時都會采用石英晶振的設(shè)計(jì),就說說電腦周邊的產(chǎn)品,USB讀卡器來解說,讀卡器主要用途是用來讀取DS卡,TF卡,記憶棒卡,CF卡,閃存等存儲卡,而這些存儲卡主要功能好是用來存儲圖片,音樂,文件,數(shù)據(jù)等資料,當(dāng)你要把存儲卡上的資料讀取到電腦上的時候就必須要使用讀卡器來轉(zhuǎn)接,這時候讀卡器里面的晶振就需要發(fā)揮它的用處了,很多消費(fèi)者在購買讀卡器之后會發(fā)現(xiàn)一個問題,發(fā)現(xiàn)當(dāng)讀卡器的文件轉(zhuǎn)接到電腦硬盤的時候會出現(xiàn)傳輸速度才幾KB或者是幾十KB,其實(shí)一個正常的讀卡器傳輸?shù)乃俣茸钌僭?M左右,那么為什么有些讀卡器的傳輸速度會如此的慢呢?原因很簡單,是讀卡器里面的那顆小小的晶振在作怪,讀卡器的要求其實(shí)本身就不高,在設(shè)計(jì)線路的時候就會選擇一款石英晶振精度在30PPM的就足夠了,后來很多的讀卡器生產(chǎn)商為了節(jié)約成本,從而產(chǎn)生更大的利潤就會從內(nèi)部的電子零件下手,而且內(nèi)部除了IC之外最為值錢的就要數(shù)晶振了,讀卡器生產(chǎn)商就選擇使用精度在100PPM的石英晶振,或者是更差的晶振來代替,晶振本身的頻率變大之后,表面對讀卡器的是沒有什么影響的,晶振的頻率變大的結(jié)果只會使讀卡器在傳輸速度的時候發(fā)生傳輸流量變小,甚至有些生產(chǎn)商會更換成精度較低的陶瓷諧振器。

  那么石英晶振又是什么制作而成的呢,石英內(nèi)部是由壓電石英晶片制作而成的,石英本身是一種自然的結(jié)晶體,在1880年代被居里與皮埃爾發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生壓電效應(yīng)之后,就被廣泛應(yīng)用了,因自然生長的石英晶體結(jié)構(gòu)密度不怎么好,后被人工培育,經(jīng)過激光切割,打磨,電鍍焊接之后就被廣泛應(yīng)用到了電子元件中。石英晶體是地球表面僅次于長石(feldspar)的最常見的物質(zhì)。其化學(xué)成分是二氧化硅(SiO2),但其壓電特性令其與眾不同。所謂壓電特性是指材料受到機(jī)械力的壓迫時產(chǎn)生電壓或當(dāng)用電壓激勵時以精準(zhǔn)頻率振蕩的能力。后一種特性使石英成為許多應(yīng)用中用以設(shè)定頻率的一種器件。
  雖然可從大自然中得到石英晶體,但也可通過合成方式制造出晶體。純的石英晶體是通過在高壓釜內(nèi)將一種稱為lasca的礦物質(zhì)融化并于一個種子晶體整合在一起的方式獲得的。然后將這種晶體切割為小片、并以其為基礎(chǔ)生成設(shè)定某一特定工作頻率所需的厚度。
  把晶體切割成片時的形狀和角度決定晶片的穩(wěn)定性及其它特征。有AT、SC和X等不同切法。兩條晶片分放在該晶體相背的兩面,并分別于焊裝引線連接。組裝好的晶振封裝在一個通常由金屬制的密閉殼內(nèi)。

  晶體本身看起來象是具有等效感抗、石英可以生產(chǎn)插件晶體也可以生產(chǎn)貼片晶振,容抗和阻抗器件的串聯(lián)諧振電路(圖1a)。將該晶體放在一個夾持物上將產(chǎn)生并聯(lián)電容,其中,該晶體在這兩個夾持平板中起著電介質(zhì)的作用。這種組合產(chǎn)生一個獨(dú)特的兼有串聯(lián)和并聯(lián)諧振的電路。
  基于采用的振蕩電路,晶體可被用于串聯(lián)、并聯(lián)或抗諧振模式。因并聯(lián)模式不很穩(wěn)定,所以,一般避免采用。但,通常利用介于串聯(lián)和并聯(lián)諧振點(diǎn)間的頻率范圍。該區(qū)域稱為并聯(lián)模式范圍。
  當(dāng)工作在并聯(lián)模式時,通過該晶體的外接容抗將決定工作頻率。該容抗稱為負(fù)載容抗,它包括PCB上以及振蕩電路中的任何雜散或分布電容。該負(fù)載容抗值一般在3到20pF之間,當(dāng)訂購一款用在并聯(lián)模式電路中的晶體時,必須指明該值。
  也可給晶體添加一個串聯(lián)或并聯(lián)電容器以將其諧振頻率在一個窄的范圍內(nèi)變動。該特性允許對頻率實(shí)施微小調(diào)整,它有能力為鎖相環(huán)(PLL)應(yīng)用生成一個可變頻晶振。
  許多晶體也在更高的泛音頻率上起振。第3和第5泛頻最常見。所謂泛頻就是基本諧振頻率乘以3、5或其它奇數(shù)倍頻率的近似。而諧頻(harmonic)則是基本頻率的嚴(yán)格整數(shù)倍,但泛頻只是近似而非嚴(yán)格整數(shù)倍。
  因典型晶體的基本振蕩頻率最大也就在30到50MHz,所以,泛頻模式是實(shí)現(xiàn)晶體精度和更高頻率穩(wěn)定性的一種方式。當(dāng)指定一款泛頻晶體時,強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確的頻率很重要,這樣,制造商才能在晶體中實(shí)現(xiàn)合適的基本頻率。

  關(guān)鍵參數(shù)
  當(dāng)比較和選擇晶振時,設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮以下10個關(guān)鍵參數(shù)。
  1、工作頻率 晶振的頻率范圍一般在1到70MHz之間。但也有諸如通用的表晶32.768K那樣的特殊低頻晶體。晶體的物理厚度限制其頻率上限。歸功于類似反向臺面(inverted Mesa)等制造技術(shù)的發(fā)展,晶體的頻率上限已從前些年的30MHz提升到200MHz。工作頻率一般按工作溫度25°C時給出。
  可利用泛頻晶體實(shí)現(xiàn)200MHz以上輸出頻率的更高頻率晶振。另外,帶內(nèi)置PLL頻率倍增器的晶振可提供1GHz以上的頻率。當(dāng)需要UHF和微波頻率時,聲表波(SAW)振蕩器是種選擇。
  2、頻率精度:頻率精度也稱頻率容限,該指標(biāo)度量晶振實(shí)際頻率于應(yīng)用要求頻率值間的接近程度。其常用的表度方法是于特定頻率相比的偏移百分比或百萬分之幾(ppm)。例如,對一款精度±100ppm的10MHz晶振來說,其實(shí)際頻率在10MHz±1000Hz之間。
  (100/1,000,000)×10,000,000=1000Hz
  它與下式意義相同:1000/10,000,000=0.0001=10-4或0.01%。典型的頻率精度范圍在1到1000ppm,以最初的25°C給出。精度很高的晶振以十億分之幾(ppb)給出。
  3、頻率穩(wěn)定性 該指標(biāo)量度在一個特定溫度范圍(如:0°C到70°C以及-40°C到85°C)內(nèi),實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率的背離程度。穩(wěn)定性也以ppm給出,根據(jù)晶振種類的不同,該指標(biāo)從10到1000ppm變化很大(圖2)。
  4、老化 老化指的是頻率隨時間長期流逝而產(chǎn)生的變化,一般以周、月或年計(jì)算。它于溫度、電壓及其它條件無關(guān)。在晶振上電使用的最初幾周內(nèi),將發(fā)生主要的頻率改變。該值可在5到10ppm間。在最初這段時間后,老化引起的頻率變化速率將趨緩至幾ppm。
  5、輸出 有提供不同種類輸出信號的晶振。輸出大多是脈沖或邏輯電平,但也有正弦波和嵌位正弦波輸出。一些常見的數(shù)字輸出包括:TTL、HCMOS、ECL、PECL、CML和LVDS。
  許多數(shù)字輸出的占空比是40%/60%,但有些型號可實(shí)現(xiàn)45%/55%的輸出占空比。一些型號還提供三態(tài)輸出。一般還以扇出數(shù)或容抗值(pF)的方式給出了最大負(fù)載。
  6、工作電壓 許多有源晶振工作在5V直流。但新產(chǎn)品可工作在1.8、2.5和3.3V。
  7、啟動時間 該規(guī)范度量的是系統(tǒng)上電后到輸出穩(wěn)定時所需的時間。在一些器件內(nèi),有一個控制晶振輸出開/閉的使能腳。
  8、相噪 在頻率很高或應(yīng)用要求超穩(wěn)頻率時,相噪是個關(guān)鍵指標(biāo)。它表度的是輸出頻率短時的隨機(jī)漂移。它也被稱為抖動,它產(chǎn)生某類相位或頻率調(diào)制。該指標(biāo)在頻率范圍內(nèi)用頻譜分析儀測量,一般用dBc/Hz表示相噪。
  晶振輸出的不帶相噪的正弦波被稱為載波,在頻譜分析儀上顯現(xiàn)為一條工作頻率上的垂直線。相噪在載波之上和之下產(chǎn)生邊帶。相噪幅度表示為邊帶功率幅值(Ps)與載波功率幅值(Pc)之比,以分貝表示:
  相噪(dBc)=10log(Ps/Pc)
  相噪的測量以載波的10kHz或100kHz頻率增量計(jì)算,但也用到低至10Hz或100Hz的其它頻率增量。相噪度量一般規(guī)整為與1Hz相等的帶寬。取決于載波的頻率增量,典型的相噪值在-80到-160dBc之間。
  9、可調(diào)性(Pullability) 該指標(biāo)表度的是通過對一個壓控晶振(VCXO壓控振蕩器)施加一個外部控制電壓時,該電壓所能產(chǎn)生的頻率改變。它表示的是最大可能的頻率變化,通常用ppm表示。同時還給出控制電壓水平,且有時還提供以百分比表示的線性值。典型的直流控制電壓范圍在0到5V。頻率變化與控制電壓間的線性關(guān)系可能是個問題。
  10、封裝 晶振有許多種封裝形態(tài)。過去,最常用的是金屬殼封裝,但現(xiàn)在,它已被更新的表貼(SMD)封裝取代。命名為HC-45、HC-49、HC-50或HC-51的金屬封裝一般采用的是標(biāo)準(zhǔn)的DIP通孔管腳。而常見的SMD封裝大小是5×7mm。源于蜂窩手機(jī)制造商的要求,SMD封裝的趨勢是越做越薄。
  石英晶振產(chǎn)值量最大的要數(shù)中國,品牌最多最廣的,質(zhì)量也比較逾越的就要數(shù)日本的企業(yè)了,國內(nèi)生產(chǎn)的大部分石英晶振都是在內(nèi)銷,因國內(nèi)本身就是電子產(chǎn)品生產(chǎn)加工大國,而韓國,日本,以及歐美一些國家生產(chǎn)的晶振也有一部分是銷往中國,特別的日本品牌晶振,生產(chǎn)的大部分都是銷往中國市場,日本很多的晶振其實(shí)甚至把工廠也遷移到了中國,像現(xiàn)在日本企業(yè)在中國建廠的企業(yè)就有:愛普生株式會社【愛普生晶振】,日本大真空株式會社【KDS晶振】,日本精工株式會社【精工晶振】,日本西鐵城株式會社【西鐵城晶振】,日本村田株式會社【村田陶瓷振子】,日本NDK株式會社【NDK晶振】,日本京瓷株式會社【京瓷晶振】,日本大河株式會社【大河晶振】等均有在中國建廠,中國目前是全球晶體使用大國。

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