晶振与晶体的参数详解

1. 晶振与晶体的区别

1) 晶振是有源晶振的简称，又叫振荡器。英文名称是oscillator。晶体则是无源晶振的简称，也叫谐振器。英文名称是crystal.

2) 无源晶振(晶体)一般是直插两个脚的无极性元件，需要借助时钟电路才能产生振荡信号。常见的有49U、49S封装。

3) 有源晶振(晶振)一般是表贴四个脚的封装，内部有时钟电路，只需供电便可产生振荡信号。一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式。

2. MEMS硅晶振与石英晶振区别

MEMS硅晶振采用硅为原材料，采用先进的半导体工艺制造而成。因此在高性能与低成本方面，有明显于石英的优势，具体表现在以下方面：

1) 全自动化半导体工艺(芯片级)，无气密性问题，永不停振。

2) 内部包含温补电路，无温漂，-40—85℃全温保证。

3) 平均无故障工作时间5亿小时。

4) 抗震性能25倍于石英振荡器。

5) 支持1-800MHZ任一频点，精确致小数点后5位输出。

6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多种工作电压匹配。

7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各种精度匹配。

8) 支持7050、5032、3225、2520所有标准尺寸封装。

9) 标准四脚、六脚封装，无需任何设计改动，直接替代石英振荡器。

10) 支持差分输出、单端输出、压控(VCXO)、温补(TCXO)等产品种类。

11) 300%的市场增长率，三年内有望替代80%以上的石英振荡器市场。

3. 晶体谐振器的等效电路

 

上图是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。其中：C1为动态电容也称等效串联电容;L1为动态电感也称等效串联电感;R1为动态电阻也称等效串联电阻;C0为静态电容也称等效并联电容。

这个等效电路中有两个最有用的零相位频率，其中一个是谐振频率(Fr)，另一个是反谐振频率(Fa)。当晶体元件实际应用于振荡电路中时，它一般还会与一负载电容相联接，共同作用使晶体工作于Fr和Fa之间的某个频率，这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定，通过改变电路的电抗条件，就可以在有限的范围内调节晶体频率。

4. 关键参数

4.1 标称频率

指晶体元件规范中所指定的频率，也即用户在电路设计和元件选购时所希望的理想工作频率。

4.2 调整频差

基准温度时，工作频率相对于标称频率的最大允许偏离。常用ppm(1/106)表示。

4.3 温度频差

在整个温度范围内工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离。常用ppm(1/106)表示。

4.4 老化率

指在规定条件下，由于时间所引起的频率漂移。这一指标对精密晶体是必要的，但它“没有明确的试验条件，而是由制造商通过对所有产品有计划抽验进行连续监督的，某些晶体元件可能比规定的水平要差，这是允许的”(根据IEC的公告)。老化问题的最好解决方法只能靠制造商和用户之间的密切协商。

4.5 谐振电阻(Rr)

指晶体元件在谐振频率处的等效电阻，当不考虑C0的作用，也近似等于所谓晶体的动态电阻R1或称等效串联电阻(ESR)。这个参数控制着晶体元件的品质因数，还决定所应用电路中的晶体振荡电平，因而影响晶体的稳定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶体元件的一个重要指标参数。一般的，对于一给定频率，选用的晶体盒越小，ESR的平均值可能就越高;绝大多数情况，在制造过程中并不能预计具体某个晶体元件的电阻值，而只能保证电阻将低于规范中所给的最大值。

4.6 负载谐振电阻(RL)

指晶体元件与规定外部电容相串联，在负载谐振频率FL时的电阻。对一给定晶体元体，其负载谐振电阻值取决于和该元件一起工作的负载电容值，串上负载电容后的谐振电阻，总是大于晶体元件本身的谐振电阻。

4.7 负载电容(CL)

与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容。晶体元件规范中的CL是一个测试条件也是一个使用条件，这个值可在用户具体使用时根据情况作适当调整，来微调FL的实际工作频率(也即晶体的制造公差可调整)。但它有一个合适值，否则会给振荡电路带来恶化，其值通常采用10pF、15pF 、20pF、30pF、50pF、∝等，其中当CL标为∝时表示其应用在串联谐振型电路中，不要再加负载电容，并且工作频率就是晶体的(串联)谐振频率Fr。用户应当注意，对于某些晶体(包括不封装的振子应用)，在某一生产规范既定的负载电容下(特别是小负载电容时)，±0.5pF的电路实际电容的偏差就能产生±10×10-6的频率误差。因此，负载电容是一个非常重要的订货规范指标。

4.8 静态电容(C0)

等效电路静态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积、晶片厚度和晶片加工工艺。

4.9 动态电容(C1)

等效电路中动态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积，另外还和晶片平行度、微调量的大小有关。

4.10 动态电感(L1)

等效电路中动态臂里的电感。动态电感与动态电容是一对相关量。

4.11 谐振频率(Fr)

指在规定条件下，晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个频率。根据等效电路，当不考虑C0的作用，Fr由C1和L1决定，近似等于所谓串联(支路)谐振频率(Fs)。这一频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数。