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晶體（Crystal Unit）的規(guī)格和特性

作者： 揚(yáng)興科技 日期：2024-05-10 瀏覽量：
晶體的重要的電氣參數(shù)包括諧振頻率、諧振模式、負(fù)載電容、等效電阻、靜態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和電容、工作溫度和驅(qū)動(dòng)功率。

石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)，從物理學(xué)中知道，若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，對(duì)應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這些規(guī)格包括諧振頻率、諧振模式、負(fù)載電容、串聯(lián)電阻、保持電容、運(yùn)動(dòng)電感和電容、溫度校準(zhǔn)和驅(qū)動(dòng)電平。

石英晶片經(jīng)過被電極，上架、封裝即成為壓電諧振器。當(dāng)外加電場的交變頻率與石英晶片的固有頻率相接近,且外加電壓的角頻率ω等于石英機(jī)械振動(dòng)的固有諧振角頻率ω時(shí)(取決于石英晶體的幾何尺寸和切型),晶片產(chǎn)生機(jī)械諧振，彈性振動(dòng)通過壓電效應(yīng)與回路相耦合,其效果等于由Lm，Cm，Rm的串聯(lián)臂和C0并聯(lián)組成的諧振回路。此時(shí)機(jī)械振動(dòng)的幅度最大，相應(yīng)地晶體表面所產(chǎn)生的電荷量最大，外電路中電流最大。

C0：Shunt Capacitance表示晶片與涂敷銀層構(gòu)成的靜電容。
Lm：Motional Lnductance是晶體振蕩時(shí)機(jī)械振動(dòng)慣性的等效電感。
Cm：Motional Capacitance 是晶體諧振時(shí)晶片彈性的等效電容。
Rm：Resistance 用于等效晶片振動(dòng)時(shí)的磨擦損耗。

圖1顯示了這個(gè)通用電路模型。

圖1.通用晶體模型（基本模式）

現(xiàn)在，我們將詳細(xì)解析每個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)。

共振頻率：

低于30MHz的晶體通常屬于基頻;高于 30MHz 時(shí)，它們通常指定為 3次泛音, 5次泛音，甚至 7 次泛音。（泛音僅在奇數(shù)倍處出現(xiàn)。因此，重要的是要知道振蕩器是在基波模式下還是在泛音模式下工作。）

泛音在概念上類似于諧波，只是晶體振蕩泛音不是基波的精確整數(shù)倍。泛音選擇基于使用盡可能低的泛音，這將導(dǎo)致晶體的基頻低于30MHz。

晶體供應(yīng)商提供泛音晶體，是因?yàn)殡S著頻率的增加，石英材料變得越來越薄。15MHz至30MHz之間的晶體以基波或3次泛音。從大約 30MHz 開始，石英變得如此薄，以至于在制造過程中難以處理，會(huì)因?yàn)樘《辉敢馓幚怼？紤]到薄石英涉及的額外制造工作，選擇泛音模式而不是基頻模式指定的晶體可以大大降低成本。

石英晶體加工的最新發(fā)明是倒臺(tái)面晶體（HFF-XTAL）是一種高頻基本模式晶體單元，它利用由光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的倒置臺(tái)式形狀A(yù)T- 截止，因此該晶體單元具有良好的溫度、老化和沖擊穩(wěn)定性?？梢栽诟叩幕Ｊ筋l率下制造出更薄的結(jié)構(gòu)。倒置臺(tái)面晶體具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：它們可實(shí)現(xiàn)不太復(fù)雜的高頻振蕩器設(shè)計(jì);它們通過避免使用外部電感器/電容來從晶體中感應(yīng)出適當(dāng)?shù)姆阂粽袷幠Ｊ絹頊p少元件數(shù)量。倒臺(tái)面晶體的制造商可以指定遠(yuǎn)高于30MHz的基波模式晶體。但請(qǐng)注意，并非所有晶體供應(yīng)商都可以提供倒置臺(tái)面技術(shù)。請(qǐng)記住，泛音模式晶體不能用于基波模式振蕩器，反之亦然。在這種情況下，泛音模式晶體可能會(huì)振蕩，但頻率不正確。

共振模式：

圖2.石英晶振的頻域電抗特性

其中Fs的是當(dāng)電抗Z=0時(shí)的串聯(lián)諧頻率(譯注：它是Lm、Cm和Rm支路的諧振頻率)，其表達(dá)式如下：

Fa是當(dāng)電抗Z趨于無窮大時(shí)的并聯(lián)諧振頻率(譯注：它是整個(gè)等效電路的諧振頻率)，其表達(dá)式如下：

在Fs到Fa的區(qū)域即通常所謂的：“并聯(lián)諧振區(qū)”(圖中的陰影部分)，在這一區(qū)域晶振工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)(譯注：該區(qū)域就是晶振的正常工作區(qū)域，F(xiàn)a－Fs就是晶振的帶寬。帶寬越窄，晶振品質(zhì)因素越高，振蕩頻率越穩(wěn)定)。在此區(qū)域晶振呈電感特性，從而帶來了相當(dāng)于180 °的相移。其頻率FP(或者叫FL:負(fù)載頻率)表達(dá)式如下：

負(fù)載電容：

負(fù)載電容CL：負(fù)載電容CL是指連接到晶振上的終端電容。CL值取決于外部電容器CL1和CL2，刷電路板上的雜散電容(Cs)。CL值由由晶振制造商給出。保證振蕩頻率精度，主要取決于振蕩電路的負(fù)載電容與給定的電容值相同，保證振蕩頻率穩(wěn)定度主要取決于負(fù)載電容保持不變。外部電容器CL1和CL2可用來調(diào)整CL，使之達(dá)到晶振制造商的標(biāo)定值。

對(duì)于串聯(lián)諧振晶體，可以忽略負(fù)載電容規(guī)格。這是正確的，因?yàn)榫w的運(yùn)動(dòng)電感和運(yùn)動(dòng)電容是決定振蕩頻率的唯一LC元件。

在圖2中，當(dāng)晶體模型的凈電感元件與晶體的內(nèi)部保持電容共振時(shí)，就會(huì)發(fā)生反諧振。反諧振不用于振蕩器設(shè)計(jì)。

串聯(lián)電阻：

串聯(lián)電阻是與晶體本身的LC模型串聯(lián)的有效電阻元件（見圖1）。振蕩器電路可以容忍一定程度的串聯(lián)電阻，但不能太大。大多數(shù)晶體的典型范圍為25Ω至100Ω。晶體供應(yīng)商通常表征該電阻，并指定串聯(lián)電阻的典型值或最大值。過大的晶體串聯(lián)電阻會(huì)導(dǎo)致振蕩器啟動(dòng)失敗，因此必須在振蕩器設(shè)計(jì)中內(nèi)置足夠的裕量。

上述準(zhǔn)則的一個(gè)例外是32.768kHz手表晶體，其串聯(lián)電阻可以在幾十千歐姆。因此，對(duì)于此應(yīng)用，振蕩器電路必須適應(yīng)這種高串聯(lián)電阻。如果不解決這個(gè)問題，將導(dǎo)致32.768kHz振蕩器不振蕩。您不應(yīng)期望使用專為 10MHz 晶體設(shè)計(jì)的方式來評(píng)估 32.768kHz 晶體。這顯然是行不通的。

靜態(tài)電容：

所有晶體都有小電極，將晶體連接到封裝引腳。電極形成與晶體LC模型并聯(lián)的分流電容，如圖1所示。根據(jù)晶體的尺寸和封裝，分布電容可能會(huì)有所不同。典型值范圍為 2pF 至 6pF。一些振蕩器不能容忍過大的靜態(tài)電容。在較高頻率下尤其如此，因?yàn)楸３制麟娙莸碾娍箷?huì)降低。確保晶體供應(yīng)商的支架電容在振蕩器的允許范圍內(nèi)。作為一般規(guī)則，最小化靜態(tài)電容（越小越好）。

動(dòng)態(tài)電感和電容是晶體供應(yīng)商提供的規(guī)格。它們描述了構(gòu)成晶體電LC模型的L和C值。L與C的極端比值得注意，因?yàn)樗诠ぷ黝l率下會(huì)產(chǎn)生非常大的感性和容性電抗值。這些大值使晶體具有極高的“品質(zhì)因數(shù)”，也稱為“Q”。（Q是儲(chǔ)存的能量與耗散能量的比值，也稱為諧振頻率下的電抗與串聯(lián)電阻之比。對(duì)于 LRC 電路，Q = 1/R * 平方 （L/C）。（此推導(dǎo)超出了本文的范圍。高Q值是理想的，因?yàn)檩^高的Q值意味著振蕩器負(fù)載電容變化時(shí)的頻率偏移較小，而由于振蕩器電源電壓等其他外部因素引起的偏移較小。振蕩器電路可能需要也可能不需要運(yùn)動(dòng)電感和電容的規(guī)格。

溫度特性：

石英晶體的頻率隨溫度而變化。頻率變化的量取決于石英從原始晶體切割的角度。隨著頻率的溫度頻差變小，溫度范圍也隨之減小。AT切割晶體最常用于其在寬溫度范圍內(nèi)的最高穩(wěn)定性。

驅(qū)動(dòng)功率級(jí)別：

必須限制晶體中的功率耗散，否則石英晶體實(shí)際上會(huì)因過度的機(jī)械振動(dòng)而失效。由于非線性行為，晶體特性也隨驅(qū)動(dòng)電平而變化。分析振蕩器設(shè)計(jì)以確定晶體中的功耗。功耗是晶體電流平方乘以晶體串聯(lián)電阻的乘積。對(duì)于并聯(lián)諧振振蕩器，晶體電流等于負(fù)載電容兩端的RMS電壓除以負(fù)載電容在振蕩器頻率下的電抗。對(duì)于串聯(lián)諧振晶體，晶體電流是晶體兩端的RMS電壓除以晶體內(nèi)部串聯(lián)電阻。

隨著晶體出現(xiàn)在更多使用微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品中，預(yù)計(jì)晶體的使用量將會(huì)增加。晶體技術(shù)也在向前發(fā)展，從而帶來更好的性能和更低的成本。

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