详细了解电子数码产品背后的晶振
来源：http://www.hneyq.com 作者：技术部 2014年03月01
在今天的的电子数码产品中基本上每一款数码产品的背后都会有一颗石英晶振，或者是，陶瓷晶振，那么晶振在电子数码产品中又扮演什么样的角色呢？在电子数码产品中又起到了什么样的作用呢？晶振本身的原来又是什么呢？带着这一系列的问题，以下我们来一一解答！
陶瓷晶振主芯片是多种化学物凝结而成的，其中有铅，铬，泥土等化学物合成，外观是直接采用泥土包封，所以简称为陶瓷晶振，陶瓷晶振一般应用在比较低端的家用电子产品，或者是儿童游戏玩具产品，因其本身精度不高，所以应用的产品也就一般，高精度的陶瓷谐振器也就是千分之1，一般常规的也就千分之3或者是千分之5，相对石英晶振的精度来说就相差盛远了，石英晶振的精度一般情况下都能达到20ppm的精度，在精确一些的能达到+-5ppm的精度，所以一般比较高端一些的数码产品在产品线路设计时都会采用石英晶振的设计，就说说电脑周边的产品，USB读卡器来解说，读卡器主要用途是用来读取DS卡，TF卡，记忆棒卡，CF卡，闪存等存储卡，而这些存储卡主要功能好是用来存储图片，音乐，文件，数据等资料，当你要把存储卡上的资料读取到电脑上的时候就必须要使用读卡器来转接，这时候读卡器里面的晶振就需要发挥它的用处了，很多消费者在购买读卡器之后会发现一个问题，发现当读卡器的文件转接到电脑硬盘的时候会出现传输速度才几KB或者是几十KB，其实一个正常的读卡器传输的速度最少在1M左右，那么为什么有些读卡器的传输速度会如此的慢呢？原因很简单，是读卡器里面的那颗小小的晶振在作怪，读卡器的要求其实本身就不高，在设计线路的时候就会选择一款石英晶振精度在30PPM的就足够了，后来很多的读卡器生产商为了节约成本，从而产生更大的利润就会从内部的电子零件下手，而且内部除了IC之外最为值钱的就要数晶振了，读卡器生产商就选择使用精度在100PPM的石英晶振，或者是更差的晶振来代替，晶振本身的频率变大之后，表面对读卡器的是没有什么影响的，晶振的频率变大的结果只会使读卡器在传输速度的时候发生传输流量变小，甚至有些生产商会更换成精度较低的陶瓷谐振器。
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那么石英晶振又是什么制作而成的呢，石英内部是由压电石英晶片制作而成的，石英本身是一种自然的结晶体，在1880年代被居里与皮埃尔发现能产生压电效应之后，就被广泛应用了，因自然生长的石英晶体结构密度不怎么好，后被人工培育，经过激光切割，打磨，电镀焊接之后就被广泛应用到了电子元件中。石英晶体是地球表面仅次于长石(feldspar)的最常见的物质。其化学成分是二氧化硅(SiO2)，但其压电特性令其与众不同。所谓压电特性是指材料受到机械力的压迫时产生电压或当用电压激励时以精准频率振荡的能力。后一种特性使石英成为许多应用中用以设定频率的一种器件。
虽然可从大自然中得到石英晶体，但也可通过合成方式制造出晶体。纯的石英晶体是通过在高压釜内将一种称为lasca的矿物质融化并于一个种子晶体整合在一起的方式获得的。然后将这种晶体切割为小片、并以其为基础生成设定某一特定工作频率所需的厚度。
把晶体切割成片时的形状和角度决定晶片的稳定性及其它特征。有AT、SC和X等不同切法。两条晶片分放在该晶体相背的两面，并分别于焊装引线连接。组装好的晶振封装在一个通常由金属制的密闭壳内。
晶体本身看起来象是具有等效感抗、石英可以生产插件晶体也可以生产贴片晶振，容抗和阻抗器件的串联谐振电路(图1a)。将该晶体放在一个夹持物上将产生并联电容，其中，该晶体在这两个夹持平板中起着电介质的作用。这种组合产生一个独特的兼有串联和并联谐振的电路。
基于采用的振荡电路，晶体可被用于串联、并联或抗谐振模式。因并联模式不很稳定，所以，一般避免采用。但，通常利用介于串联和并联谐振点间的频率范围。该区域称为并联模式范围。
当工作在并联模式时，通过该晶体的外接容抗将决定工作频率。该容抗称为负载容抗，它包括PCB上以及振荡电路中的任何杂散或分布电容。该负载容抗值一般在3到20pF之间，当订购一款用在并联模式电路中的晶体时，必须指明该值。
也可给晶体添加一个串联或并联电容器以将其谐振频率在一个窄的范围内变动。该特性允许对频率实施微小调整，它有能力为锁相环(PLL)应用生成一个可变频晶振。
许多晶体也在更高的泛音频率上起振。第3和第5泛频最常见。所谓泛频就是基本谐振频率乘以3、5或其它奇数倍频率的近似。而谐频(harmonic)则是基本频率的严格整数倍，但泛频只是近似而非严格整数倍。
因典型晶体的基本振荡频率最大也就在30到50MHz，所以，泛频模式是实现晶体精度和更高频率稳定性的一种方式。当指定一款泛频晶体时，强调准确的频率很重要，这样，制造商才能在晶体中实现合适的基本频率。
关键参数
当比较和选择晶振时，设计师应考虑以下10个关键参数。
1、工作频率 晶振的频率范围一般在1到70MHz之间。但也有诸如通用的表晶32.768K那样的特殊低频晶体。晶体的物理厚度限制其频率上限。归功于类似反向台面(inverted Mesa)等制造技术的发展，晶体的频率上限已从前些年的30MHz提升到200MHz。工作频率一般按工作温度25°C时给出。
可利用泛频晶体实现200MHz以上输出频率的更高频率晶振。另外，带内置PLL频率倍增器的晶振可提供1GHz以上的频率。当需要UHF和微波频率时，声表波(SAW)振荡器是种选择。
2、频率精度：频率精度也称频率容限，该指标度量晶振实际频率于应用要求频率值间的接近程度。其常用的表度方法是于特定频率相比的偏移百分比或百万分之几(ppm)。例如，对一款精度±100ppm的10MHz晶振来说，其实际频率在10MHz±1000Hz之间。
(100/1,000,000)×10,000,000=1000Hz
它与下式意义相同：1000/10,000,000=0.0001=10-4或0.01%。典型的频率精度范围在1到1000ppm，以最初的25°C给出。精度很高的晶振以十亿分之几(ppb)给出。
3、频率稳定性 该指标量度在一个特定温度范围(如：0°C到70°C以及-40°C到85°C)内，实际频率与标称频率的背离程度。稳定性也以ppm给出，根据晶振种类的不同，该指标从10到1000ppm变化很大(图2)。
4、老化 老化指的是频率随时间长期流逝而产生的变化，一般以周、月或年计算。它于温度、电压及其它条件无关。在晶振上电使用的最初几周内，将发生主要的频率改变。该值可在5到10ppm间。在最初这段时间后，老化引起的频率变化速率将趋缓至几ppm。
5、输出 有提供不同种类输出信号的晶振。输出大多是脉冲或逻辑电平，但也有正弦波和嵌位正弦波输出。一些常见的数字输出包括：TTL、HCMOS、ECL、PECL、CML和LVDS。
许多数字输出的占空比是40%/60%，但有些型号可实现45%/55%的输出占空比。一些型号还提供三态输出。一般还以扇出数或容抗值(pF)的方式给出了最大负载。
6、工作电压 许多有源晶振工作在5V直流。但新产品可工作在1.8、2.5和3.3V。
7、启动时间 该规范度量的是系统上电后到输出稳定时所需的时间。在一些器件内，有一个控制晶振输出开/闭的使能脚。
8、相噪 在频率很高或应用要求超稳频率时，相噪是个关键指标。它表度的是输出频率短时的随机漂移。它也被称为抖动，它产生某类相位或频率调制。该指标在频率范围内用频谱分析仪测量，一般用dBc/Hz表示相噪。
晶振输出的不带相噪的正弦波被称为载波，在频谱分析仪上显现为一条工作频率上的垂直线。相噪在载波之上和之下产生边带。相噪幅度表示为边带功率幅值(Ps)与载波功率幅值(Pc)之比，以分贝表示：
相噪(dBc)=10log(Ps/Pc)
相噪的测量以载波的10kHz或100kHz频率增量计算，但也用到低至10Hz或100Hz的其它频率增量。相噪度量一般规整为与1Hz相等的带宽。取决于载波的频率增量，典型的相噪值在-80到-160dBc之间。
9、可调性(Pullability) 该指标表度的是通过对一个压控晶振(VCXO压控振荡器)施加一个外部控制电压时，该电压所能产生的频率改变。它表示的是最大可能的频率变化，通常用ppm表示。同时还给出控制电压水平，且有时还提供以百分比表示的线性值。典型的直流控制电压范围在0到5V。频率变化与控制电压间的线性关系可能是个问题。
10、封装 晶振有许多种封装形态。过去，最常用的是金属壳封装，但现在，它已被更新的表贴(SMD)封装取代。命名为HC-45、HC-49、HC-50或HC-51的金属封装一般采用的是标准的DIP通孔管脚。而常见的SMD封装大小是5×7mm。源于蜂窝手机制造商的要求，SMD封装的趋势是越做越薄。
石英晶振产值量最大的要数中国，品牌最多最广的，质量也比较逾越的就要数日本的企业了，国内生产的大部分石英晶振都是在内销，因国内本身就是电子产品生产加工大国，而韩国，日本，以及欧美一些国家生产的晶振也有一部分是销往中国，特别的日本品牌晶振，生产的大部分都是销往中国市场，日本很多的晶振其实甚至把工厂也迁移到了中国，像现在日本企业在中国建厂的企业就有：爱普生株式会社【爱普生晶振】，日本大真空株式会社【KDS晶振】，日本精工株式会社【精工晶振】，日本西铁城株式会社【西铁城晶振】，日本村田株式会社【村田陶瓷振子】，日本NDK株式会社【NDK晶振】，日本京瓷株式会社【京瓷晶振】，日本大河株式会社【大河晶振】等均有在中国建厂，中国目前是全球晶体使用大国。
陶瓷晶振主芯片是多种化学物凝结而成的，其中有铅，铬，泥土等化学物合成，外观是直接采用泥土包封，所以简称为陶瓷晶振，陶瓷晶振一般应用在比较低端的家用电子产品，或者是儿童游戏玩具产品，因其本身精度不高，所以应用的产品也就一般，高精度的陶瓷谐振器也就是千分之1，一般常规的也就千分之3或者是千分之5，相对石英晶振的精度来说就相差盛远了，石英晶振的精度一般情况下都能达到20ppm的精度，在精确一些的能达到+-5ppm的精度，所以一般比较高端一些的数码产品在产品线路设计时都会采用石英晶振的设计，就说说电脑周边的产品，USB读卡器来解说，读卡器主要用途是用来读取DS卡，TF卡，记忆棒卡，CF卡，闪存等存储卡，而这些存储卡主要功能好是用来存储图片，音乐，文件，数据等资料，当你要把存储卡上的资料读取到电脑上的时候就必须要使用读卡器来转接，这时候读卡器里面的晶振就需要发挥它的用处了，很多消费者在购买读卡器之后会发现一个问题，发现当读卡器的文件转接到电脑硬盘的时候会出现传输速度才几KB或者是几十KB，其实一个正常的读卡器传输的速度最少在1M左右，那么为什么有些读卡器的传输速度会如此的慢呢？原因很简单，是读卡器里面的那颗小小的晶振在作怪，读卡器的要求其实本身就不高，在设计线路的时候就会选择一款石英晶振精度在30PPM的就足够了，后来很多的读卡器生产商为了节约成本，从而产生更大的利润就会从内部的电子零件下手，而且内部除了IC之外最为值钱的就要数晶振了，读卡器生产商就选择使用精度在100PPM的石英晶振，或者是更差的晶振来代替，晶振本身的频率变大之后，表面对读卡器的是没有什么影响的，晶振的频率变大的结果只会使读卡器在传输速度的时候发生传输流量变小，甚至有些生产商会更换成精度较低的陶瓷谐振器。
那么石英晶振又是什么制作而成的呢，石英内部是由压电石英晶片制作而成的，石英本身是一种自然的结晶体，在1880年代被居里与皮埃尔发现能产生压电效应之后，就被广泛应用了，因自然生长的石英晶体结构密度不怎么好，后被人工培育，经过激光切割，打磨，电镀焊接之后就被广泛应用到了电子元件中。石英晶体是地球表面仅次于长石(feldspar)的最常见的物质。其化学成分是二氧化硅(SiO2)，但其压电特性令其与众不同。所谓压电特性是指材料受到机械力的压迫时产生电压或当用电压激励时以精准频率振荡的能力。后一种特性使石英成为许多应用中用以设定频率的一种器件。
虽然可从大自然中得到石英晶体，但也可通过合成方式制造出晶体。纯的石英晶体是通过在高压釜内将一种称为lasca的矿物质融化并于一个种子晶体整合在一起的方式获得的。然后将这种晶体切割为小片、并以其为基础生成设定某一特定工作频率所需的厚度。
把晶体切割成片时的形状和角度决定晶片的稳定性及其它特征。有AT、SC和X等不同切法。两条晶片分放在该晶体相背的两面，并分别于焊装引线连接。组装好的晶振封装在一个通常由金属制的密闭壳内。
晶体本身看起来象是具有等效感抗、石英可以生产插件晶体也可以生产贴片晶振，容抗和阻抗器件的串联谐振电路(图1a)。将该晶体放在一个夹持物上将产生并联电容，其中，该晶体在这两个夹持平板中起着电介质的作用。这种组合产生一个独特的兼有串联和并联谐振的电路。
基于采用的振荡电路，晶体可被用于串联、并联或抗谐振模式。因并联模式不很稳定，所以，一般避免采用。但，通常利用介于串联和并联谐振点间的频率范围。该区域称为并联模式范围。
当工作在并联模式时，通过该晶体的外接容抗将决定工作频率。该容抗称为负载容抗，它包括PCB上以及振荡电路中的任何杂散或分布电容。该负载容抗值一般在3到20pF之间，当订购一款用在并联模式电路中的晶体时，必须指明该值。
也可给晶体添加一个串联或并联电容器以将其谐振频率在一个窄的范围内变动。该特性允许对频率实施微小调整，它有能力为锁相环(PLL)应用生成一个可变频晶振。
许多晶体也在更高的泛音频率上起振。第3和第5泛频最常见。所谓泛频就是基本谐振频率乘以3、5或其它奇数倍频率的近似。而谐频(harmonic)则是基本频率的严格整数倍，但泛频只是近似而非严格整数倍。
因典型晶体的基本振荡频率最大也就在30到50MHz，所以，泛频模式是实现晶体精度和更高频率稳定性的一种方式。当指定一款泛频晶体时，强调准确的频率很重要，这样，制造商才能在晶体中实现合适的基本频率。
关键参数
当比较和选择晶振时，设计师应考虑以下10个关键参数。
1、工作频率 晶振的频率范围一般在1到70MHz之间。但也有诸如通用的表晶32.768K那样的特殊低频晶体。晶体的物理厚度限制其频率上限。归功于类似反向台面(inverted Mesa)等制造技术的发展，晶体的频率上限已从前些年的30MHz提升到200MHz。工作频率一般按工作温度25°C时给出。
可利用泛频晶体实现200MHz以上输出频率的更高频率晶振。另外，带内置PLL频率倍增器的晶振可提供1GHz以上的频率。当需要UHF和微波频率时，声表波(SAW)振荡器是种选择。
2、频率精度：频率精度也称频率容限，该指标度量晶振实际频率于应用要求频率值间的接近程度。其常用的表度方法是于特定频率相比的偏移百分比或百万分之几(ppm)。例如，对一款精度±100ppm的10MHz晶振来说，其实际频率在10MHz±1000Hz之间。
(100/1,000,000)×10,000,000=1000Hz
它与下式意义相同：1000/10,000,000=0.0001=10-4或0.01%。典型的频率精度范围在1到1000ppm，以最初的25°C给出。精度很高的晶振以十亿分之几(ppb)给出。
3、频率稳定性 该指标量度在一个特定温度范围(如：0°C到70°C以及-40°C到85°C)内，实际频率与标称频率的背离程度。稳定性也以ppm给出，根据晶振种类的不同，该指标从10到1000ppm变化很大(图2)。
4、老化 老化指的是频率随时间长期流逝而产生的变化，一般以周、月或年计算。它于温度、电压及其它条件无关。在晶振上电使用的最初几周内，将发生主要的频率改变。该值可在5到10ppm间。在最初这段时间后，老化引起的频率变化速率将趋缓至几ppm。
5、输出 有提供不同种类输出信号的晶振。输出大多是脉冲或逻辑电平，但也有正弦波和嵌位正弦波输出。一些常见的数字输出包括：TTL、HCMOS、ECL、PECL、CML和LVDS。
许多数字输出的占空比是40%/60%，但有些型号可实现45%/55%的输出占空比。一些型号还提供三态输出。一般还以扇出数或容抗值(pF)的方式给出了最大负载。
6、工作电压 许多有源晶振工作在5V直流。但新产品可工作在1.8、2.5和3.3V。
7、启动时间 该规范度量的是系统上电后到输出稳定时所需的时间。在一些器件内，有一个控制晶振输出开/闭的使能脚。
8、相噪 在频率很高或应用要求超稳频率时，相噪是个关键指标。它表度的是输出频率短时的随机漂移。它也被称为抖动，它产生某类相位或频率调制。该指标在频率范围内用频谱分析仪测量，一般用dBc/Hz表示相噪。
晶振输出的不带相噪的正弦波被称为载波，在频谱分析仪上显现为一条工作频率上的垂直线。相噪在载波之上和之下产生边带。相噪幅度表示为边带功率幅值(Ps)与载波功率幅值(Pc)之比，以分贝表示：
相噪(dBc)=10log(Ps/Pc)
相噪的测量以载波的10kHz或100kHz频率增量计算，但也用到低至10Hz或100Hz的其它频率增量。相噪度量一般规整为与1Hz相等的带宽。取决于载波的频率增量，典型的相噪值在-80到-160dBc之间。
9、可调性(Pullability) 该指标表度的是通过对一个压控晶振(VCXO压控振荡器)施加一个外部控制电压时，该电压所能产生的频率改变。它表示的是最大可能的频率变化，通常用ppm表示。同时还给出控制电压水平，且有时还提供以百分比表示的线性值。典型的直流控制电压范围在0到5V。频率变化与控制电压间的线性关系可能是个问题。
10、封装 晶振有许多种封装形态。过去，最常用的是金属壳封装，但现在，它已被更新的表贴(SMD)封装取代。命名为HC-45、HC-49、HC-50或HC-51的金属封装一般采用的是标准的DIP通孔管脚。而常见的SMD封装大小是5×7mm。源于蜂窝手机制造商的要求，SMD封装的趋势是越做越薄。
石英晶振产值量最大的要数中国，品牌最多最广的，质量也比较逾越的就要数日本的企业了，国内生产的大部分石英晶振都是在内销，因国内本身就是电子产品生产加工大国，而韩国，日本，以及欧美一些国家生产的晶振也有一部分是销往中国，特别的日本品牌晶振，生产的大部分都是销往中国市场，日本很多的晶振其实甚至把工厂也迁移到了中国，像现在日本企业在中国建厂的企业就有：爱普生株式会社【爱普生晶振】，日本大真空株式会社【KDS晶振】，日本精工株式会社【精工晶振】，日本西铁城株式会社【西铁城晶振】，日本村田株式会社【村田陶瓷振子】，日本NDK株式会社【NDK晶振】，日本京瓷株式会社【京瓷晶振】，日本大河株式会社【大河晶振】等均有在中国建厂，中国目前是全球晶体使用大国。
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