高基頻晶振的原理與應(yīng)用

晶振是什么？在電路中起到什么作用呢？晶振產(chǎn)品是一個(gè)具有壓電效應(yīng)的產(chǎn)品，即在晶片兩極外加電壓后晶體會(huì)產(chǎn)生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會(huì)產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當(dāng)?shù)慕蛔冸妷海蜁?huì)產(chǎn)生諧振(諧振頻率與石英斜面傾角等有關(guān)系，且頻率一定)。晶振利用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，在共振的狀態(tài)下工作可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之二十。利用該特性，晶振可以提供較穩(wěn)定的脈沖，廣泛應(yīng)用于微芯片的時(shí)鐘電路里。晶片多為石英半導(dǎo)體材料，外殼用金屬封裝。

而我們從之前的晶振知識(shí)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動(dòng)的AT切割晶體單元的振蕩頻率由晶片的厚度決定。晶片越薄，頻率越高；晶片越厚，頻率越低。

AT切割晶片和頻率的關(guān)系表達(dá)式：

F0=1.67×N/T

F0=振蕩頻率(MHz)

N=振蕩模式(1,3,5,7,9…)

T=厚度(mm)

為了在基頻上獲得非常高的頻率，必須準(zhǔn)備非常薄的空白晶片。但是如果太薄，它的物理就會(huì)變得非常薄弱，并且很難在傳統(tǒng)的加工方法中處理。

傳統(tǒng)晶振上，晶片的制作方法是機(jī)械研磨和拋光，以獲得所需要的厚度和頻率。而高基頻晶振的晶片技術(shù)采用的與半導(dǎo)體晶片制作工藝類似的光刻技術(shù)，在晶片坯上蝕刻出一個(gè)孔。其中較薄的”井”是坯料的共振部分，而周圍較厚的晶體材料區(qū)域則提供結(jié)構(gòu)支撐。由于通過這種方法加工的石英晶片僅在中心區(qū)域處理得非常薄，未蝕刻的周圍區(qū)域保持相同的厚度和物理強(qiáng)度。

如下圖所示：

制造流程

實(shí)物圖

40MHz基頻晶振晶片厚度約等于40μm

160MHz基頻晶振晶片厚度小于10μm

傳統(tǒng)晶片與高基頻晶片比較

目前高基頻晶振頻率范圍基本可以做到70~300MHz。

為什么要使用高基頻晶振呢？

1.     相位噪聲/抖動(dòng)性能好于PLL

2.     ESR和啟動(dòng)性能好于3次泛音振蕩模式

3.     在高頻應(yīng)用上不用使用PLL或3次以上泛音振蕩模式

4.     3次泛音以上的晶振產(chǎn)品需要在實(shí)際應(yīng)用電路上做調(diào)整，以過濾掉基頻的頻率，只保留泛音出來的頻率。

5.     3次以上泛音電路會(huì)有較大的寄生頻率，影響頻率穩(wěn)定性。

高基頻晶振的缺點(diǎn)，由于光刻工藝蝕刻后，中間那部分晶片很薄，如果不小心，會(huì)比較容易破碎而損壞。

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