石英晶體理論

晶體單位:術(shù)語和定義

1. 等效電路
2. 操作方式
3. 并聯(lián)電容
4. 頻率-溫度特性
5. 校準(zhǔn)公差
6. 穩(wěn)定性
7. 總頻率容差
8. 老化
9. 可拉性
10. 泛音晶體
11. 虛假響應(yīng)
12. 驅(qū)動電平
13. 絕緣電阻
14. 質(zhì)量指標(biāo)

• 應(yīng)用筆記-振蕩器電路
• 應(yīng)用筆記-為微處理器選擇晶振
• 應(yīng)用筆記-負(fù)電阻測量

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晶體單位:術(shù)語和定義

壓電效應(yīng)定義為施加在石英晶體上的壓力產(chǎn)生電壓，施加在石英晶體上的電壓產(chǎn)生機(jī)械振動。這些振動的頻率由幾個(gè)因素決定:

• 石英晶片的物理尺寸。
• 與石英晶軸相關(guān)的工件平面或切面。
• 環(huán)境溫度。
• 操作電路。

1）等效電路
雖然這種壓電效應(yīng)的理論分析是一個(gè)相對復(fù)雜的機(jī)電函數(shù)，但它可以顯示為一個(gè)簡單的等效電路。

等效晶體電路有助于解釋石英晶體單元在其基本諧振頻率附近工作時(shí)的電氣特性。由L1、C1和R1組成的串聯(lián)電路與彈性振動有關(guān)，而與串聯(lián)臂并聯(lián)的元件Co作為電容歸因于石英晶體晶片的電介質(zhì)體。

電阻R1是晶體單元在串聯(lián)諧振頻率下的諧振電阻。（見圖1）。

2）操作方式
晶體單元可用于電路中，以串聯(lián)或并聯(lián)兩種模式工作。

a）串聯(lián)諧振:在串聯(lián)諧振下工作的晶體單元在電路中呈現(xiàn)電阻性，晶體單元的值幾乎等于動生電阻R1。除非規(guī)定了負(fù)載能力，否則大多數(shù)晶體都是在串聯(lián)諧振下制造的。

b）并聯(lián)諧振:在并聯(lián)諧振下工作的晶體在電路中出現(xiàn)電感。晶體頻率將由晶體的等效電參數(shù)和負(fù)載電容CL決定，負(fù)載電容CL是決定晶體單元在石英晶體振蕩器電路中使用時(shí)的“條件”的一個(gè)因素。在普通振蕩電路中，晶體單元在用作感抗的范圍內(nèi)使用。

換句話說，當(dāng)從晶體單元的兩端觀察振蕩電路時(shí)，該振蕩電路可以表示為負(fù)電阻-R和電容CL的串聯(lián)電路。當(dāng)時(shí)這個(gè)電容稱為負(fù)載電容。

負(fù)載電容之間的關(guān)系小，頻率變化量大，并且當(dāng)負(fù)載電容增加時(shí)，頻率變化降低。如果電路中的負(fù)載電容減小以確保振蕩頻率的較大容差，則即使電路中的微小變化也會極大地影響頻率穩(wěn)定性。負(fù)載能力可以從數(shù)據(jù)表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值中選擇。

3）并聯(lián)電容
分流電容（Co）是晶振端子之間的電容。它因封裝而異，通常在SMD晶體單元中較小，在含鉛晶體單元中為6-7pF。

4）頻率溫度特性
為了將晶體單元用作振蕩器，要求其振蕩頻率對溫度變化保持穩(wěn)定。石英晶體具有晶軸，晶體切割是根據(jù)相對于晶軸的切割角度及其相關(guān)的振動模式來定義的。最常用的AT切割晶體單元的頻率-溫度特性由三次曲線表示。（見圖2）以在給定工作溫度范圍內(nèi)獲得所需頻率容差的角度切割石英晶體晶片。然而，實(shí)際上，由于連續(xù)過程中切割和拋光精度的結(jié)果，表觀切割角可能會有一些差異。因此，需要優(yōu)化加工精度。

5）
校準(zhǔn)容差是在指定溫度（通常為25℃）下與標(biāo)稱頻率的最大容許偏差，通常以百萬分之一（ppm）或標(biāo)稱頻率的百分比表示。

六、穩(wěn)定性
穩(wěn)定性是指在指定溫度范圍內(nèi)與標(biāo)稱頻率的最大容許偏差，在25°C時(shí)為0，用百萬分之一或標(biāo)稱頻率的百分比表示。如前所述，該參數(shù)取決于石英晶片切割的角度。

7）整體頻率公差
總頻率容差是由于溫度、時(shí)間和其他環(huán)境條件的變化而導(dǎo)致的與標(biāo)稱頻率的最大容許偏差。

老化
石英晶體老化適用于頻率的累積變化，導(dǎo)致晶體單元工作頻率的永久變化。在運(yùn)行的前45天內(nèi)，頻率變化速度最快。衰老涉及許多相互關(guān)聯(lián)的因素，一些最常見的因素是:

• 內(nèi)污染
• 駕駛水平過高
• 晶體表面變化
• 各種熱效應(yīng)
• 電線疲勞
• 摩擦磨損

適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)結(jié)合低工作環(huán)境、最小驅(qū)動電平和靜態(tài)老化將大大減少老化問題。在10MHz范圍內(nèi)工作的電阻焊接晶體nits的典型老化數(shù)字為每年百萬分之二（ppm）。

9）拉力
晶振的可拉性是指晶振以并行模式工作，衡量頻率變化與負(fù)載電容的關(guān)系。對于希望通過改變負(fù)載電容值來利用單個(gè)晶體實(shí)現(xiàn)多個(gè)工作頻率的電路設(shè)計(jì)人員來說，可拉性非常重要。

10）泛音晶體
該晶體通常在其基頻下工作，但可以在其3次、5次、7次和9次諧波下工作，只需對電路稍加調(diào)整。泛音晶體經(jīng)過特殊處理，具有平面平行度和表面光潔度，以增強(qiáng)其在所需泛音諧波振動下的性能。

11）虛假響應(yīng)
晶體也可能以與其基頻或泛音頻率無關(guān)的頻率振動。這種不需要的頻率稱為雜散頻率。電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保振蕩反饋電路在所需工作頻率下實(shí)現(xiàn)最高增益，從而保護(hù)電路免受雜散影響。

13）
晶體單元的兩個(gè)焊接端子之間或引線與外殼（金屬外殼）之間的電阻。用100伏15伏的DC電壓進(jìn)行測試，絕緣電阻在500歐姆范圍內(nèi)。

質(zhì)量因素
品質(zhì)因數(shù)是運(yùn)動電感、諧振頻率和等效串聯(lián)電阻（ESR）的品質(zhì)函數(shù)。它通常在幾萬到幾十萬的范圍內(nèi)。

 

應(yīng)用筆記:振蕩電路

下面介紹由晶體單元組成的典型振蕩電路。例如，使用的元素常數(shù)。

CL =（c1xc 2）/C1+C2）+雜散電容
雜散電容可能從2pF到6pF不等。

1. 在C-MOS振蕩電路中使用時(shí)，電路圖中的Rd必不可少，以將驅(qū)動電平保持在規(guī)定值內(nèi)并獲得穩(wěn)定的振蕩頻率。
2. C1和C2應(yīng)在10 ~ 31pF的范圍內(nèi)使用。如果在30pF以下或以上使用C1和C2，振蕩很容易受到電路條件的影響，驅(qū)動電平可能會增加或負(fù)電阻可能會降低，從而導(dǎo)致振蕩不穩(wěn)定。
3. 晶體振蕩電路的布局應(yīng)盡可能短
4. 應(yīng)該減少電路和接地圖案之間的雜散電容。
5. 應(yīng)該避免晶體振蕩電路圖案與其他電路圖案交叉。
6. 超聲波清洗可能會導(dǎo)致晶體單元退化。

 

應(yīng)用筆記:為微處理器選擇晶振

除非微處理器數(shù)據(jù)手冊中另有說明，否則本應(yīng)用筆記可作為選擇晶振的一般指南，許多領(lǐng)先的微處理器制造商均可使用該晶振。

大多數(shù)微處理器包括一個(gè)帶正反饋電阻（典型值為1MO）的反相器設(shè)計(jì)，該電阻帶有一個(gè)可選的串聯(lián)電阻，電阻值從10歐姆到1千歐姆不等（見圖A）

它有一個(gè)輸入端口（通常稱為XIN、XI、XTALI或類似性質(zhì)）和一個(gè)輸出端口（XOUT、XO、XTALO或類似性質(zhì)），用于這兩個(gè)端口之間的晶體單元連接。大多數(shù)芯片都設(shè)計(jì)有一個(gè)選項(xiàng)，要么由饋送到石英晶振輸入端口的外部時(shí)鐘振蕩器驅(qū)動，要么由外部晶振驅(qū)動。

根據(jù)共振頻率，晶體可以選擇基頻或泛音模式。通常高于28MHz的頻率需要第三泛音模式，以獲得價(jià)格優(yōu)勢和交付。

在并聯(lián)模式下，晶體電抗是電感性的，需要兩個(gè)外部電容（C1）和（C2）來實(shí)現(xiàn)振蕩中必要的相移。無論晶體是基音模式還是泛音模式，都需要C1和C2。C1和C2的值由芯片制造商指定，從6pF到47pF不等。

C1和C2可能不均衡，即價(jià)值相等，但有時(shí)會以特定比率（C1/C2）偏移以獲得最佳性能，具體取決于晶體和放大器特性以及電路板布局。圖B顯示了基本模式操作的典型配置。

在泛音模式下，需要一個(gè)額外的電感L1和電容Cc來選擇三次泛音模式，同時(shí)抑制或拒絕基音模式。選擇第三泛音晶體電路中的L1和Cc值以滿足以下條件。

串聯(lián)諧振電路中頻率低于基頻的L1、Cc分量，使電路在基頻時(shí)看起來具有電感性。這種情況不利于基模振蕩。

并聯(lián)諧振電路中的L1、Cc和C2分量，頻率大約在基頻和第三泛音頻率的中間。這種情況使電路在第三泛音頻率下呈容性，有利于在所需泛音模式下振蕩。（見圖C）

在標(biāo)準(zhǔn)泛音模式下，C2值從10pF到30pF不等。Cc值應(yīng)至少是C2值的10倍，因此其等效C-equiv。大約等于這個(gè)值。

不同晶體頻率的L1典型值:

圖D顯示了40.320MHz三次泛音模式操作的典型電路配置。

 

應(yīng)用筆記:負(fù)電阻測量

當(dāng)晶體單元作為振蕩電路中的感性電抗被激活時(shí)，晶體單元和振蕩電路之間的關(guān)系如圖e所示。為了改善振蕩電路的啟動條件，最好增加振蕩電路的負(fù)電阻R參數(shù)的值。如果負(fù)電阻容差不大（負(fù)電阻較小）的電路與具有較大諧振電阻的石英晶體單元組合在一起，啟動條件會變得更糟。振蕩電路應(yīng)設(shè)計(jì)成負(fù)電阻值是諧振電阻的5到10倍。

負(fù)載電容的中心值（決定振蕩頻率的絕對值）和可變范圍（振蕩頻率的微調(diào)范圍）也必須保持在振蕩電路的最佳值。

負(fù)電阻測量程序

• 如圖e所示，打開主電路中晶體單元的兩端，并在晶體單元中串聯(lián)一個(gè)可變電阻。
• 改變電阻值，檢查當(dāng)時(shí)觀察到的振蕩極限和電阻（歐姆）。在這種情況下，電源電路必須打開和關(guān)閉，不能出錯(cuò)。
• 電路中的負(fù)電阻（-R）是上述數(shù)值與晶體諧振電阻R1之和。
• 這種測量應(yīng)在工作頻率的上限和下限進(jìn)行