Fox Quartz Crystal设计与制作

Fox Quartz Crystal设计与制作，美国FOX公司是一家超级注重于品质的元器件供应商，为了好的品质不惜一切代价在一个小细节上面死磕，只为了让用户好的体验，凭借着精湛的工艺，卓越的性能，过硬的品质使得其在行业之中得到无数的称赞，随着不断增长的需求，福克斯公司意识到新的机会来临，便利用长期积累的经验，针对新的需求开发高质量低成本的石英晶振，产品具有轻薄小低功耗低损耗的特点，比较适合用于网络设备，智能产品，电子数码等领域.

晶体仅在最终应用中提供频率选择元件。有外部并且需要增益级来实现最终所需的时钟信号。这个晶体频率范围通常被认为小于160MHz。这个频率以上的晶体需要复杂的电路设计，调谐困难，需要专门的高频晶体。

需要提供CMOS或BJT增益级，有许多可接受的配置。这个该级的输入和输出阻抗会影响电路Q。放大器噪声水平会影响这两者相位噪声和抖动。该级如何在有源增益区偏置对振荡器至关重要启动。此外，该阶段的带宽会影响启动特性。如果振荡器电路为了在泛音上操作晶体，放大器中需要一个频率选择装置电路，以确保电路在所需的晶体泛音处仅具有所需的增益和相移。
振荡器电路在晶体谐振时产生交流电流。此交流电流或驱动器液位必须低于临界值，否则晶体可能会损坏。过大的电流会导致晶体运动超过弹性极限而断裂。XY切割（音叉）32.768KHz手表晶体必须限制在约5µA或更小，否则晶体的尖端将断裂。
>1MHz的SMD无源晶体通常是AT切割晶体。这些设备可以容忍较宽的驱动器级别范围在达到毫瓦驱动水平之前，不会发生断裂。增加的老化可能发生在更高的µW驱动范围。过度驱动晶体会激发不想要的振动模式。这些可以导致在不同的狭窄温度范围内出现严重的频率跳跃。
在大多数情况下，晶体在无功负载下运行。这样可以调整最终最终应用中的频率。这通常需要校正频率变化与水晶的时间。CLOAD值决定了频率与负载电容的灵敏度。AT切割晶体对于低值可以具有30ppm/pF的灵敏度。使用更高的负载值电容降低了灵敏度，但增加了振荡启动的难度。CLOAD温度特性可以改变振荡器的频率对温度的响应。
晶体的频率响应由晶体穿过原子的切口决定石英晶体的平面。这导致了稳定且可重复的温度响应。这个曲线图显示了AT切割晶体的不同切割的频率-温度响应。每个曲线有2分钟的弧度不同。

每条曲线是通过石英晶体的原子平面的切割的2分钟弧的变化。

晶体有许多参数需要指定，以确保接收到符合最终应用程序要求。
•频率
•校准，设定点为25°C

•CLOAD
•稳定性，频率与25°C温度的关系
•工作温度范围
•Cl的最大ESR，晶体谐振电阻
•C0范围，引脚间电容
•LMOTIONAL或CMOTIONAL，设置晶体的拉出能力
•驱动级别
•频率和电阻的驱动电平依赖性（DLD）
•老化
•绝缘电阻
还有其他规范，如每°C允许的最大频率变化，或平滑曲线允许的最大响应（扰动控制）。

进货检验或测试需要专用设备：
•晶体阻抗计（CI计）
•具有特殊测试夹具和软件的网络分析仪
电路板布局对于实现最佳性能至关重要。以下是一些注意事项：
•导线长度必须尽可能短。
•晶体引线阻抗高，对噪声非常敏感。
•电容器和晶体封装的接地节点不得涉及循环噪声源的电流。
•如果引线上的泄漏路径低于500K欧姆，这可能会影响振荡器的启动并且还将使频率偏移多达几个ppm。

有关CLOAD的设计注意事项和选择的更多信息，请参阅我们的应用说明810。

振荡器包括1-1.7中所述的使用晶体的所有考虑因素。幸运的是当使用振荡器时，可以容易地解决使用晶体操作的复杂性。
•振荡器安装了一个未完成的晶体，在过程的最后部分，晶体的频率在室温下校准。
•晶体与振荡器电路的温度系数相匹配。水晶改变角度或切口以偏移振荡器电路的温度系数。
•晶体引线通常密封在密封晶体封装中最大限度地减少最终使用可能改变振荡器性能的任何机会。
使用示波器、频率可以很容易地测试或验证振荡器的性能计数器和电源。Fox Quartz Crystal设计与制作.
The crystal only provides the frequency selective element in final application. There are external components required, and a gain stage is needed to achieve the final required clock signal. The crystal frequency range is normally considered to be less than 160MHz. Crystals above this frequency require complex circuit designs with difficult tuning and specialized high frequency crystals. 

A CMOS or a BJT gain stage needs to be provided, there are many accepted configurations. The input and output impedance of this stage affects the circuit Q. The amplifier noise level impacts both the phase noise and jitter. How this stage biases in the active gain region is critical for oscillator startup. Also, the bandwidth of this stage affects the startup characteristics. If the oscillator circuit is to operate the crystal on an overtone, then a frequency selective device is needed in the amplifier circuit to assure the circuit only has the needed gain and phase shift at the desired crystal overtone. 

The oscillator circuit results in AC current at the resonance of the crystal. This AC current or drive level has to be below a critical value or a crystal can be damaged. Excessive current can cause the crystal motion to exceed the elastic limit and fracture. The XY cut (tuning fork) 32.768KHz watch crystal has to be limited to about 5µA or less or the tines of the crystal will fracture.

The crystals >1MHz are typically AT cut crystals. These devices are tolerant of a wide drive level range. Fracture will not occur until milliwatt drive levels are reached. Added aging can occur in the higher µW drive ranges. Over driving the crystal can excite unwanted modes of vibration. These can result in severe frequency jumps over vary narrow temperature ranges.  

In most cases, crystals are operated with a reactive load. This permits adjustment of the final frequency in the final application. This is often needed to correct for the frequency change versus time of the crystal. The CLOAD value determines the frequency versus load capacitance sensitivity. AT cut crystals can have a sensitivity of 30ppm/pF for low values. Using higher values of load capacitance reduces sensitivity but increases the difficulty of startup of oscillation. The CLOAD’s temperature characteristics can change the frequency versus temperature response of the oscillator. 

The frequency response of the crystal is determined by the cut of the crystal through the atomic planes of the quartz crystal. This results in a stable and repeatable temperature response. The graph shows the frequency temperature response for different cuts of the AT cut crystal. Each curve is 2 minutes of arc different. 

The CLOAD temperature coefficient can alter this response by many minutes The CLOAD value and the capacitor is critical for the oscillator to meet the desired characteristics. The CSTRAY of the amplifier and the amplifier phase shift change vs. temperature both impact the frequency temperature characteristics.