高频晶体振荡器的原理及其应用解析

余梓萱

      

　　晶振是什么？在电路中起到什么作用呢？晶振产品是一个具有压电效应的产品，即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，反过来如外力使晶片变形，则两极上金属片又会产生电压。如果给晶片加上适当的交变电压，晶片就会产生谐振(谐振频率与石英斜面倾角等有关系，且频率一定)。晶振利用一种能把电能和机械能相互转化的晶体，在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率精度可达百万分之二十。利用该特性，晶振可以提供较稳定的脉冲，广泛应用于微芯片的时钟电路里。晶片多为石英半导体材料，外壳用金属封装。
　　而我们从之前的晶振知识中知道，大部分晶振里的晶片切割方式都是采用AT(厚度)切割模式，在厚度剪切模式下振动的AT切割晶体单元的振荡频率由晶片的厚度决定。晶片越薄，频率越高；晶片越厚，频率越低。
　　AT切割晶片和频率的关系表达式：
　　F0=1.67×N/T
　　F0=振荡频率(MHz)
　　N=振荡模式(1,3,5,7,9…)
　　T=厚度(mm)
　　为了在基频上获得非常高的频率，必须准备非常薄的空白晶片。但是如果太薄，它的物理就会变得非常薄弱，并且很难在传统的加工方法中处理。
　　传统晶振上，晶片的制作方法是机械研磨和抛光，以获得所需要的厚度和频率。而高基频晶振的晶片技术采用的与半导体晶片制作工艺类似的光刻技术，在晶片坯上蚀刻出一个孔。其中较薄的”井”是坯料的共振部分，而周围较厚的晶体材料区域则提供结构支撑。由于通过这种方法加工的石英晶片仅在中心区域处理得非常薄，未蚀刻的周围区域保持相同的厚度和物理强度。
　　如下图所示：

　　制造流程

　　实物图
　　40MHz基频晶振晶片厚度约等于40µm
　　160MHz基频晶振晶片厚度小于10µm

　　传统晶片与高基频晶片比较
　　目前高基频晶振频率范围基本可以做到70~300MHz。
　　为什么要使用高基频晶振呢？
　　1. 相位噪声/抖动性能好于PLL
　　2. ESR和启动性能好于3次泛音振荡模式
　　3. 在高频应用上不用使用PLL或3次以上泛音振荡模式
　　4. 3次泛音以上的晶振产品需要在实际应用电路上做调整，以过滤掉基频的频率，只保留泛音出来的频率。
　　5. 3次以上泛音电路会有较大的寄生频率，影响频率稳定性。
　　高基频晶振的缺点，由于光刻工艺蚀刻后，中间那部分晶片很薄，如果不小心，会比较容易破碎而损坏。
　　目前我司深圳市晶科鑫实业有限公司针对WIFI6、WIFI7等产品需要高频率的晶振产品推出SMD2016系列高基频晶振产品，频率主要有76.8MHz、80MHz、96MHz等基频高频率晶振产品，提供高稳定、高可靠性的时钟信号。

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