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晶振本体石英晶体的秘密


发布日期:2021-02-21 15:55   来源:未知   阅读:

  晶振发展至今不管是生产工艺还是应用都已经非常成熟了,但是你真的了解过晶振吗?从我们熟悉的有源晶振、无源晶振到到晶体、振荡器以及展频晶振,这些名称怎么来的?要了解这些问题还得从晶振的本体——石英晶体讲起;(实际上作为振荡器不止有石英晶振,还有基于半导体的晶振以及陶瓷晶振。石英晶振因为发展时间长,技术相对成熟以及使用广,本文只围绕石英晶振来讲。)

  自1880 年发现了石英压电效应后,晶振随着电子产品的发展至今已成数字电路中不可或缺的稳定时钟信号来源。

  石英晶振的主要功能材料为水晶,即一种化学成分为二氧化硅( SiO2)的六角锥形结晶体。石英之所以成为谐振器的原材料,是由于它具有正(机械能→电能)、逆(电能→机械能)压电效应。如果沿石英晶片的电轴或机械轴施加压力使晶片产生形变,那么垂直于这些轴的两个表面则会产生电荷,这种现象称为正压电效应。如果在石英晶体两个表面施加电场,则晶片在电轴和机械轴方向将延伸或压缩,这种现象称为逆压电效应。基于这种特性,当石英晶振置于交变电场中,晶体的体积会发生周期性的压缩或拉伸,形成了晶体的机械振动。当交变电场的频率等于晶片的固有机械谐振频率时,晶片的机械振动幅度最大,产生共振现象。

  当晶体通过基座、外壳、锌白铜、上盖等通过数十项工艺后就做出了我们的无源晶振。作为电子工程师都知道无源晶振需要起振还需要外围的起振电路,所以这种简单的晶振也叫晶体、无源晶振,优点主要为信号电平可变,低成本、低功耗等优势,应用场景十分丰富。

  当我们的产品需要精度较高、接线尽可能简单的情况下就诞生了一种将起振电路IC集成到与水晶一起封装到外壳里的晶振,即有源晶振、振荡器,其精密度与稳定性高于无源晶振。

  从上图可以看出无源晶振只需要两个引脚即可,即使做成4PIN的贴片晶振也只用到其中两个PIN脚,而有源晶振从原理上就决定了需要三个PIN脚才能工作,其中一个悬空的引脚有的厂家也有做使能端。

  在实际的整改中,关于时钟超标时钟是EMC工程师头疼的问题,绝大部分的时钟来源又是由晶振提供,用常规方法将周边配置电路重新匹配、隔离、滤波、屏蔽后依然无法解决这个难点。

  所谓条条大路通罗马,与大禹治水一样堵不行就用疏,既然超标的是尖峰点,就用手段把尖峰点的能量给转移。这里就用到我们之前提到的展频技术,不同的是此次我们是基于时钟源——晶振做的优化,直接在有源晶振内部集成起振电路与展频电路从而减少展频IC外围电路减小空间与其他匹配物料的成本。

  新一代的展频晶振经过优化可以根据客户实际需求进行烧录成不同的频率与展频宽度,在验证效果时客户如之前用的有源晶振可以直接PIN对PIN焊接验证,若用的无源晶振我们还专门为此制作了用于验证的测试板方便客户验证其效果。

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