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小型化是電子行業(yè)的持續(xù)趨勢(shì)，可穿戴設(shè)備、智能家居設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、汽車應(yīng)用中的電子產(chǎn)品……這些只是需要越來(lái)越小的組件的應(yīng)用的幾個(gè)例子。每個(gè)電子元件制造商都在努力將越來(lái)越小的元件推向市場(chǎng)。但是這種尺寸減小會(huì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中導(dǎo)致不同的問(wèn)題，為了幫助解決其中一些問(wèn)題，本文將重點(diǎn)介紹縮小石英晶體尺寸時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的影響。
首先可以說(shuō)晶體的尺寸越小，諧振頻率越高。對(duì)于石英，石英毛坯的厚度與諧振頻率成反比關(guān)系。這意味著當(dāng)坯料變薄時(shí)，頻率會(huì)增加。相反，這意味著需要更厚的坯料才能獲得更低的頻率。由于更小的封裝也更薄，因此在物理上不再可能在 2.0 x 1.6 mm 封裝中提供低于 16 MHz 的頻率或在 1.6 x 1.2 mm 封裝中提供低于 24 MHz 的頻率。從較大尺寸切換到較小尺寸時(shí)需要考慮到這一點(diǎn)。
較小晶體的另一個(gè)特點(diǎn)是等效串聯(lián)電阻 (ESR) 更高。晶體的 ESR 取決于幾個(gè)參數(shù)，例如頻率、晶體尺寸、電極尺寸和安裝結(jié)構(gòu)。但一般來(lái)說(shuō)，晶體越小，ESR 就越高。在設(shè)計(jì)評(píng)估期間，需要考慮 ESR，以確?？梢员ＷC穩(wěn)定的振蕩。穩(wěn)定振蕩的特征是安全系數(shù)為 5 或更大。安全系數(shù)，通常也稱為負(fù)電阻比，由負(fù)電阻與 ESR 的比率定義。安全系數(shù)的計(jì)算公式見公式(1)。
電路中的負(fù)電阻可以通過(guò)在晶體上串聯(lián)一個(gè)電位器來(lái)測(cè)量，如圖1所示。電位器的電阻需要增加，直到晶體停止振蕩——這個(gè)電阻值標(biāo)志著R ADDmax。使用 R ADDmax 和晶體的最大 ESR，可以計(jì)算負(fù)電阻和安全系數(shù)。
如果 ESR 增加，則安全系數(shù)會(huì)降低。因此，無(wú)法再保證晶體的安全振蕩 (SF ? 5)。如果在舊設(shè)計(jì)中使用較小的晶體來(lái)替換較大的晶體，這實(shí)際上很容易發(fā)生。
圖 ：帶有 R ADD 的電路圖
但是在這種情況下，如何提高安全系數(shù)并保證振蕩穩(wěn)定呢?提高負(fù)電阻和安全系數(shù)的最簡(jiǎn)單方法是降低 C a和 C b。當(dāng)降低 C a和 C b 時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致 R ADD在振蕩停止的點(diǎn)上更高。這導(dǎo)致負(fù)電阻的改善和安全系數(shù)的增加。這就是為什么較小的晶體通常以較低的負(fù)載電容出售。因此，當(dāng)考慮從較大的晶體更改為較小的晶體時(shí)，應(yīng)該記住，它也需要更換電容器。
降低 C a和 C b時(shí)需要考慮的事項(xiàng)，由于坯料和電極的尺寸，較大晶體的調(diào)節(jié)更高。此外，當(dāng)降低電路中的負(fù)載電容時(shí)，微調(diào)會(huì)增加。因此重新設(shè)計(jì)具有較小晶體的電路時(shí)，可以預(yù)期微調(diào)較少，頻率更穩(wěn)定。當(dāng)電路中的負(fù)載電容需要減小以保持負(fù)電阻和安全系數(shù)，微調(diào)也會(huì)增加。當(dāng)較小的晶體替換較大的晶體時(shí)，整體上的調(diào)整將保持不變甚至增加。因此，在小晶體設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要步驟是為 C 選擇合適的電容器a和 C b并評(píng)估電路中的正確負(fù)載電容。只有這樣才能保證晶體在其規(guī)格范圍內(nèi)振蕩。
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