石英晶体振荡器小型化对其自身特性的影响及其对策1N226000AA0G

随着晶体振荡单元的小型化的进展，CI 值、特性不均、频率敏感性等性能随之恶化，电 路设计更为困难。日本KDS晶振使用自己的核心技术，设计并生产出可以同时实现小型及高性能的音叉型晶体振荡单元,为小型、高性能的应用开发奉献力量。下面，给大家详细介绍一下石英晶体振荡器小型化对其自身特性的影响及其对策。

1、因CI 值(晶体阻抗；Crystal Impedance)的增大而造成的振荡稳定性的下降

如将晶体单元的谐振状态置换成电气电路，可以 得到如图 1所示的晶体振荡单元的等效电路，CI 值相 当于等效电路的 R1。

图一：晶体单元的等效电路

通常将晶体振荡单元小型化时， CI 值会变大。这时，晶体振荡单元的 CI 值对振荡电 路的影响及其对策如下所示。

【影响】

CI 值较大时起振或停止电压会变高。即会出现即 使增大电压也难以起振、电压稍下降振荡就会变得不 稳定或停止振荡的现象。

而且 CI 值是晶体振荡单元单体中的谐振频率的等效阻抗，对振荡的不稳定或不振荡产生影响的、决 定振荡裕度的重要参数之一。

图二振荡裕度的检查方法

【对策】

首先，需要确保衡量振荡电路能否稳定振荡的尺度的振荡裕度在 5～10 以上。这项振荡裕度可用 图 2的振荡电路的负阻抗（CI）除以石英晶体振荡器单元的等效串联阻抗（r）的最大值来表示。 当振荡裕度不足时，将出现如上所述的延迟起振时间或起振电压变高的故障。而且，当振荡裕度明 显不足时，振荡将陷入不稳定或不起振的状态。

为了提高振荡裕度，以下两种方法较为有效：

①通常改善负阻抗的方法较为有效，根据图 3所 示的振荡电路部分功耗与负阻抗之间的关系，可使用 增加振荡部电流的方法来解决，但这种方法存在增加 耗电量的缺点。

图 3 振荡电路部分的电流与负阻抗之间的关系

②使用 CI 值较小的石英晶体也可以改善振荡裕 度，但如上所述，通常晶体振荡单元的小型化将使 CI 值变大。 尽管小型化与振荡的稳定相对立，但KDS晶振公司使用自己的技术，采用了既小型又能抑制 CI 值的设 计。并根据客户的需求，推出了规格尺寸丰富多 样的晶体振荡单元阵容，可以为大家提供系统最佳部件， 支持尊贵客户的高度设计品质。

2. 振荡频率的偏移

随着振荡器尺寸的小型化，频率敏感度将变高。 实装到产品基板时振荡频率可能偏移所期待值。以下说 明其影响及对策。

【影响】

晶体振荡单元的频率随振荡电路的负载电容而变化。 这种变化被称为“频率与负载电容特性”。负载电容如式 1)所示，由振荡电路的电容值和杂散电容量而决定。

频率与负载电容特性如图 4所示，随振荡器的规格尺 寸而不同。频率的精度随着振荡器尺寸的小型化，电容容量每 1pF 的频率敏感度将变高（曲线的倾斜变得急剧），因此受到每 块基板的杂散容量不均的影响，频率容易变动。即振荡频率的 偏移变大。

图 4 频率与负载 电容特性

这种情况下晶体振荡电路的对策如下所示。

【对策】

图 5 为使用 CMOS IC 的、通常的晶体振荡电路。

图 5 振荡电路

通过改变此图中的栅极容量 CG、漏极容量 CD，可以调整振荡频率。因此，可采取以下方法：

①选择 CG、CD 的不均较小的电容；

②选择敏感度低的晶体振荡单元。

用上述观点选择部品，就能得到稳定的频率精度。KDS晶振公司产品使用自创核心技术，采用了既小型又能抑制敏 感度和每个产品的不均的设计。 使用这样的产品也是有效手段之一。

生产音叉振荡子时，KDS晶振没有采用生产中通常使用的机械加工方式，而是采用了具有 30 年历 史与实际成果的光刻加工进化发展而成的核心技术，通过三维加工使晶体芯片的外形与电极的形成实现小型、高精度，精心设计使音叉型晶体振荡单元的特性达到最佳。

因此，能为客户提供具有以下特性的音叉型晶体振荡单元：

?使用晶片蚀刻工艺控制芯片形状的不均（抑制 CI 値、频率精度的不均）；

?音叉的振动臂上形成三维体槽，增大电极面积从而实现低 CI 值；

?进行精细加工生产更小型的产品。

使用上述核心技术，为您准备了能够尽量减少您的设计及品质等方面的风险的产品阵容。 今后，KDS也将不断推进自身技术的进化，努力开发并提供更小型、更高性能的晶体元器件。