封裝另類的32.768kHz晶振

時間：2021-10-27 14:05:19

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[導(dǎo)讀]當電路投板之后，準備采購元器件的時候，傻眼了。根本就買不著FC135封裝的25MHz的晶振。于是調(diào)試電路的老同志仰天長嘯。為什么有些封裝只有32.768kHz的頻率的晶體才有呢？首先，我們看一張長圖來對比：我們可以看到32.768kHz的晶體的封裝與其他頻率的封裝幾乎沒有交集。那...

當電路投板之后，準備采購元器件的時候，傻眼了。根本就買不著FC135封裝的25MHz的晶振。于是調(diào)試電路的老同志仰天長嘯。

為什么有些封裝只有32.768kHz的頻率的晶體才有呢？

首先，我們看一張長圖來對比：

我們可以看到32.768kHz的晶體的封裝與其他頻率的封裝幾乎沒有交集。

那么，有經(jīng)驗的朋友有沒有發(fā)現(xiàn)，兩列晶振的規(guī)律呢？

從身材比例來說，右邊的32.768的封裝有點像姚明，瘦高型；左邊普通晶體的身材像曾志偉，矮胖型。

那么為什么會有這樣的現(xiàn)象呢？是32.768kHz的晶體有什么特殊之處？

1、晶振的基本原理

振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與LC諧振回路相比，它具有很高的標準性和極高的品質(zhì)因數(shù)，，具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達到10-4~10-11穩(wěn)定度。

基本性能主要是起振蕩作用，可利用其對某頻率具有的響應(yīng)作用，用來濾波、選頻網(wǎng)絡(luò)等，石英諧振器相當于RLC振蕩電路。

石英晶體俗稱水晶，是一種化學成分為二氧化硅（SiO2）的六角錐形結(jié)晶體，比較堅硬。它有三個相互垂直的軸，且各向異性：縱向Z軸稱為光軸，經(jīng)過六棱柱棱線并垂直于Z軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時垂直的Y軸（垂直于棱面）稱為機械軸。

石英晶體之所以可以作為諧振器，是由于它具有正（機械能→電能）、反（電能→機械能）壓電效應(yīng)。

沿石英晶片的電軸或機械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個表面產(chǎn)生正、負電荷，呈現(xiàn)出電壓，其大小與所加力產(chǎn)生的形變成正比；若施加張力，則產(chǎn)生反向電壓，這種現(xiàn)象稱為正電效應(yīng)。

當沿石英晶片的電軸方向加電場，則晶片在電軸和機械軸方向?qū)⒀由旎驂嚎s，發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱為反壓電效應(yīng)。因此，在晶體兩面三刀端加上交流電壓時，晶片會隨電壓的變化產(chǎn)生機械振動，機械振動又會在晶片內(nèi)表面產(chǎn)生交變電荷。由于晶體是有彈性的固體，對于某一振動方式，有一個固有的機械諧振頻率。當外加交流電壓等于晶片的固有機械諧振頻率時，晶片的機械振動幅度最大，流過晶片的電流最大，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。石英晶片的共振具有多諧性，即除可以基頻共振外，還可以諧頻共振，通常把利用晶片的基頻共振的諧振器，利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，一般能利用的是3、5、7之類的奇次泛音。晶片的振動頻率與厚度成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄（尺寸越大，頻率越低），，這樣的晶片其機械強度就越差，加工越困難，而且容易振碎，因此在工作頻率較高時常采用泛音晶體。一般地，在工作頻率小于20MHZ時采用基頻晶體，在工作頻率大于20MHZ時采用泛音晶體。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

晶振的主要參數(shù)有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。

如常用普通晶振標稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。

標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯(lián)揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求，對于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當?shù)木д?，因不同性能的晶振其價格不同，要求越高價格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。

晶振不振蕩時，可以看成是一平板電容器C0，他和晶體的幾何尺寸和電極面積有關(guān)，值在幾PF到幾十PF之間。晶振的機械振動的慣性使用電感L來等效，一般為10－3－102H之間，晶片的彈性以電容C1來等效，L、C的具體數(shù)值與切割方式，晶片和電極的尺寸，形狀等有關(guān)。

標稱頻率（FL），負載電容（CL）、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等

晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能

Fs：晶體本身固有的頻率，和晶體的切割方式、晶體厚度、晶體電極的等效厚度

F＝2560/t(BT) F=1670/t(AT)

2、音叉結(jié)構(gòu)

簡單地說，晶振是晶體諧振器和晶體振蕩器的統(tǒng)稱，諧振器有分陶瓷諧振器和石英諧振器,石英諧振器可以分插件晶振和貼片晶振，而插件晶振也通常被稱之為音叉晶體和晶振,因插件表晶石英晶片外型類似音叉的形狀，所以叫音叉晶振，音叉的頻率都是以千赫為單位。插件晶振中較為普遍存在的體積有38,26,應(yīng)用最多的晶振頻率為32.768KHZ。2011年全球音叉類晶振產(chǎn)量超過100億只，產(chǎn)值約15億美元。同年，中國音叉晶振產(chǎn)量超過40億只，產(chǎn)量約占全球40%。即使多高端的電子產(chǎn)品也始終離不開這個連2毛錢都不到的音叉晶振.iPhone 也不例外.

和蘋果公司合作,是多少零器件廠家競爭的目標.手機中的零器件,晶振和聲表面濾波器,32.768K表晶是不可或缺的部分.iPhone 5中有5款石英晶振,其中就有兩款音叉晶振.通常我們認為32.768K晶振只能應(yīng)用到一些低端電子產(chǎn)品,實際上這是一種錯誤的說法,絕大多數(shù)涉及數(shù)據(jù)處理的電子產(chǎn)品都需要晶振元件為其提供時鐘頻率，否則便無法啟動或者有效工作由此可見晶振尤其是音叉晶振是電子產(chǎn)品中十分重要的元件。

音叉晶振應(yīng)用領(lǐng)域包括鐘表及表芯、手機、平板電腦、微型計算機、計算器、家電自動控制和工業(yè)自動控制等。目前，中國音叉晶振下游應(yīng)用市場呈現(xiàn)快速增長的勢頭，帶動音叉晶振需求增長。2011年，中國石英鐘表機芯產(chǎn)量19億只，需要市場供應(yīng)19億只音叉表晶，是音叉晶體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一;中國手機產(chǎn)量11.3億部，至少增加17億顆音叉晶振需求，對音叉晶振行業(yè)帶動較大;消費電子和微型計算機產(chǎn)業(yè)也是音叉晶振的主要應(yīng)用市場。相對于陶瓷晶振來說應(yīng)用到手機方面極為少數(shù)，只有部分普通電話機才會用的上陶瓷晶振系列，2011年中國消費電子(不包括手機)產(chǎn)量達到16.6億套(臺)，微型計算機產(chǎn)量為3.2億臺，這兩個領(lǐng)域?qū)σ舨婢д竦男枨蠹s20億只。

隨著技術(shù)的進步以及市場應(yīng)用的變化，音叉晶振呈現(xiàn)先小型化、高精度、低功耗的發(fā)展趨勢,以愛普生晶振C-001RX，C-002RX，C-004，C-005，精工晶振VT-200-F，VT-150-F，VT-120-F,西鐵城晶振CFS206，CFS145，CFS308,KDS晶振DT-26，DT-38,日本四大石英晶振知名廠商為首,音叉晶振在任何有時間顯示的地方都會有存在,以愛普生晶振,西鐵城晶振.精工晶振,KDS晶振每年銷量領(lǐng)先,四大日產(chǎn)知名品牌是眾多消費者的選擇. 而上海唐輝電子是日本大真空株式會社在中國的指定代理商，唐輝電子在PPTC自恢復(fù)保險絲、PTC熱敏電阻、晶體諧振器、振蕩器系列、高品質(zhì)電容、電感和液晶屏產(chǎn)品、IC類等領(lǐng)域有很強的競爭力。TH02157153998產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在通信、電腦、消費類電子及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、儀器儀表、工控系統(tǒng)、安防產(chǎn)品、電源供應(yīng)器等產(chǎn)品上積極面對市場及客戶的多方位要求，堅持以最好的品牌和最具競爭力的價格銷售電子零件，為客戶提供多元化的服務(wù)，務(wù)求充分滿足客戶的要求致力于成為中國乃至世界最佳元器件供應(yīng)商之一。
首先，音叉晶振向小型化、薄片化和片式化發(fā)展的趨勢越來越明顯。近幾年，晶振下游應(yīng)用終端出現(xiàn)向小型化、輕薄化的發(fā)展趨勢。作為電子產(chǎn)品的重要元件，石英晶振也必須向小型化、薄片化和片式化發(fā)展。例如，iPhone 5厚度僅為7.6毫米，其使用的兩顆音叉晶振是高度小型化、薄片化和片式化的高品質(zhì)產(chǎn)品。從過去的20年中可以看出，晶振產(chǎn)品體積從約150立方毫米縮小到約0.75立方毫米，急劇下降到最初的1/200，小型化在不斷進展。而現(xiàn)在越來越高端的數(shù)碼產(chǎn)品都采用了有源晶振，有源音叉石英晶體振蕩器等產(chǎn)品。
其次，音叉晶振向更高精度與更高穩(wěn)定度方向發(fā)展，從而演變成為有源晶振產(chǎn)品系列，低功耗也成為音叉晶振重要發(fā)展趨勢。電子產(chǎn)品如移動終端小型化、薄片化的同時，功能也逐漸增多，導(dǎo)致耗電量急劇增加。然而，自1992年索尼發(fā)布鋰離子電池至今，電池領(lǐng)域還沒有出現(xiàn)全新顛覆式的技術(shù)突破。因此，減少硬件能耗成為延長電子設(shè)備續(xù)航時間的現(xiàn)實選擇。作為電子產(chǎn)品的重要元件，音叉晶振也需要向低功耗方向發(fā)展。石英晶振逐漸小型化、薄片化和片式化，為其提高精度和穩(wěn)定度提出更大挑戰(zhàn)。在看重小型化,薄片化的基礎(chǔ)上,人們更加看重的是焊接方便簡單和節(jié)省更多的時間.因此,貼片晶振在壓電晶體世界中也成為搶手的一部分,只是,在選擇貼片晶振代替音叉晶振的時候,我們應(yīng)當考慮其價格.

3、不通切片方式的頻率范圍不通。

晶片切割:

晶振中最重要的組成部分為水晶振子,它是由水晶晶體按一定的法則切割而成的,又稱晶片.

常用晶片的形狀有三種:圓形,方形,SMT專用(方形,但比較小)

晶片的切割可分為AT-CUT,BT-CUT, CT-CUT, DT-CUT, FT-CUT, XT-CUT, YT-CUT,如圖7所示.它是以光軸(Z軸)為參考而命名,每種切法對應(yīng)一個角度.采用何種切法應(yīng)根據(jù)實際情況而定,如對溫度特性要求較好則應(yīng)采用AT-CUT,如果對晶振要求的頻率較高時則采用BT-CUT.晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等決定了晶振的頻率.

切片方式	頻率范圍	模式	角度
AC			31°
AK		thickness shear
AT	0.5–300 MHz	thickness shear (c-mode, slow quasi-shear)	35°15', 0° (<25 MHz) 35°18', 0°(>10 MHz)
BC			?60°
BT	0.5–200 MHz	thickness shear (b-mode, fast quasi-shear)	?49°8', 0°
CT	300–900 kHz	face shear	38°, 0°
DT	75–800 kHz	face shear	?52°, 0°
E, 5°X	50–250 kHz	longitudal
ET			66°30'
FC		thickness shear
FT			?57°
GT	0.1–3 MHz	width-extensional	51°7'
H	8–130 kHz	length-width flexure
IT		thickness shear
J	1–12 kHz	length-thickness flexure
LC		thickness shear	11.17°/9.39°
MT	40–200 kHz	longitudal
NLSC
NT	8–130 kHz	length-width flexure (bending)
RT
SBTC
SC	0.5–200 MHz	thickness shear	35°15', 21°54'
SL		face-shear	?57°, 0°
TS
X
XY,tuning fork	3–85 kHz	length-width flexure
X 30°
Y