晶體元件的主要參數(shù)

1、晶體元件的主要參數(shù)        1.1等效電路 作為一個(gè)電氣元件，晶體是由一選定的晶片，連同在石英上形成電場(chǎng)能夠?qū)щ姷碾姌O及防護(hù)殼罩和內(nèi)部支架裝置所組成。 晶體諧振器的等效電路圖見圖1。 等效電路由動(dòng)態(tài)參數(shù)L1、C1、R1和并電容C0組成。這些參數(shù)之間都是有聯(lián)系的，一個(gè)參數(shù)變化時(shí)可能會(huì)引起其他參數(shù)變化。而這些等效電路的參數(shù)值跟晶體的切型、振動(dòng)模式、工作頻率及制造商實(shí)施的具體設(shè)計(jì)方案關(guān)系極大。 下面的兩個(gè)等式是工程上常用的近似式： 角頻率=1/ 品質(zhì)因數(shù)Q=L1/R1 其中 L1為等效動(dòng)電感，單位mH C1為等效電

2、容，也叫動(dòng)態(tài)電容，單位fF R1為等效電阻，一般叫諧振電阻，單位  圖2、圖3、圖4給出了各種頻率范圍和各種切型實(shí)現(xiàn)參數(shù)L1、C1、R1的范圍。  圖2常用切型晶體的電感范圍             圖3 常用切型的電容范圍 對(duì)諧振電阻來(lái)說，供應(yīng)商對(duì)同一型號(hào)的任何一批中可以有3：1的差別，批和批之間的差別可能會(huì)更大。對(duì)于一給定的頻率，采用的晶體盒越小，則R1和L1的平均值可能越高。 1.2 晶體元件的頻率， 晶體元件的頻率通常與晶體盒尺寸和振動(dòng)模式有關(guān)。一

3、般晶體尺寸越小可獲得的最低頻率越高。晶體盒的尺寸確定了所容納的振子的最大尺寸，在選擇產(chǎn)品時(shí)應(yīng)充分考慮可實(shí)現(xiàn)的可能性，超出這個(gè)可能范圍，成本會(huì)急劇增加或成為不可能,當(dāng)頻率接近晶體盒下限時(shí),應(yīng)與供應(yīng)商溝通。下表是不同晶體盒可實(shí)現(xiàn)的頻率范圍。   圖4 充有一個(gè)大氣壓力氣體（90%氮、10%氦）的氣密晶體元件的頻率、切型和電阻范圍 晶體盒型號(hào) 振動(dòng)模式 頻段（MHz） HC-49U AT基頻 1.8432-30 BT基頻 20-40 AT三次泛音 20-85 AT五次泛音 50-180 HC-49S AT基頻 3.579-30 AT三次泛音 20-65 AT五次泛音 50-150

4、 SMD7×5 AT 基頻 6-40 AT 三次泛音 33-100 AT 五次泛音 50-180 SMD6×3.5 AT 基頻 8-40 AT 三次泛音 35-100 AT 五次泛音 50-180 SMD5×3.2 AT 基頻 12-45 AT 三次泛音 35-100 AT 五次泛音 60-180 1.3 頻差 規(guī)定工作溫度范圍及頻率允許偏差。 電路設(shè)計(jì)人員可能只規(guī)定室溫頻差，但對(duì)于在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)要求給定頻差的應(yīng)用，除了給定室溫下的頻差還應(yīng)給出整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的頻差。給定這個(gè)頻差時(shí)，應(yīng)充分考慮設(shè)備引起溫升的容限。 通常有兩種方法規(guī)定整個(gè)工作溫度范圍的頻差。

5、 1）規(guī)定總頻差 如從-10+85，總頻差為±50×10-6，通常這種方法一般用于具有較寬頻差而不采用頻率微調(diào)的應(yīng)用場(chǎng)合。 2）規(guī)定下列部分頻差 基準(zhǔn)溫度下的頻差為±10×10-6 在-30+60溫度范圍內(nèi)，相對(duì)于基準(zhǔn)溫度實(shí)際頻率的頻差±20×10-6，這種方法常用于較嚴(yán)頻差，*頻率牽引來(lái)消除基準(zhǔn)溫度下的頻差的場(chǎng)合。 對(duì)于溫度曲線為拋物線的BT切晶體，可以規(guī)定基準(zhǔn)溫度下的頻差為正公差，如+20×10-6。 一般來(lái)講,應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)確定晶體元件的工作范圍及頻率允許偏差。   1.4 頻率溫度特性 頻率溫度特性隨

6、所用的振動(dòng)模式不同其變化相當(dāng)大，圖5給出了常用切型的頻率溫度特性關(guān)系的理論曲線。常用的晶體諧振器主要是AT切的BT切型，由于AT切的溫度頻差更容易控制，因此溫度頻差要求較嚴(yán)的晶體多選用AT切晶體，圖6給出了比較完整的一系列AT切晶體的頻率溫度特性的理論曲線。這些曲線表明，可以選定特定的角度范圍來(lái)保證在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)得到規(guī)定的性能。實(shí)際上由于設(shè)計(jì)制造的多種限制，這些理論曲線僅供做為指導(dǎo)性資料。應(yīng)當(dāng)說明的是在選擇較小的溫度頻差時(shí)需要付出較高的代價(jià)。對(duì)于一般用作數(shù)字電路（如PC）時(shí)鐘的應(yīng)用場(chǎng)合，±30×10-6、±50×10-6的溫度頻差已經(jīng)足夠了，只有在通

7、信系統(tǒng)和精確計(jì)時(shí)基準(zhǔn)的應(yīng)用時(shí)才會(huì)考慮更嚴(yán)的溫度頻差。 圖7表明了AT切晶體當(dāng)規(guī)定特別小溫度頻差時(shí)所花費(fèi)的代價(jià)。過嚴(yán)的頻差會(huì)導(dǎo)致制造成本的增加，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分評(píng)估所需的頻差范圍。   圖7  AT切晶體元件頻率允許偏差/溫度范圍的難度情況   1.5 激勵(lì)電平的影響 實(shí)際上，所有晶體元件的頻率都在一定程度上隨激勵(lì)電平變化而變化(微量變化)，一般來(lái)說，AT切晶體的頻率會(huì)隨激勵(lì)電平增大而略有升高。過高的激勵(lì)電平會(huì)導(dǎo)致諧振器溫度特性的畸變，并激活寄生模。過高的激勵(lì)使晶體發(fā)熱和應(yīng)力過大，從而產(chǎn)生不可逆的頻率漂移。 非常低的激勵(lì)電平（數(shù)微瓦或更低）下，晶體元件的諧振電阻可能比

8、在額定激勵(lì)電平下電阻值高很多，以致使振蕩器越振越困難。這種效應(yīng)經(jīng)過一段非工作狀態(tài)的貯存后會(huì)加劇，這就是激勵(lì)電平相關(guān)性（DLD）。因此，晶體在電路中實(shí)際使用的激勵(lì)電平不應(yīng)過大和過小。 下面是IEC推薦的激勵(lì)功率的常用值。 2mw、1mw、0.1mw（100w）、0.05mw（50w）、0.02mw（20w）、0.01mw（10w）、0.001 mw(1w)優(yōu)選值  5MHz以下  500w以上, 一般 100w。   1.6 老化 晶體諧振頻率和諧振電阻都隨時(shí)間的延續(xù)而變化，這就是所說的老化，人們最關(guān)注的是諧振頻率隨時(shí)間的變化。 對(duì)AT切晶體來(lái)說，在晶體使

9、用初期，老化主要受元件內(nèi)部應(yīng)力釋放影響，頻率向升高方向變化，而后期受電極膜吸附的影響，其頻率按對(duì)數(shù)關(guān)系向降低方向變化，隨時(shí)間增加變化量逐漸降低，見圖4。為減小出廠時(shí)的老化率，生產(chǎn)商大都對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了預(yù)老化。 對(duì)老化指標(biāo)，一般都規(guī)定產(chǎn)品的老化水平,而它并非明確的試驗(yàn)條件,這種“水平”，是通過生產(chǎn)有計(jì)劃的抽檢而獲得的?？赡苣承﹤€(gè)別晶體元件比規(guī)定水平會(huì)差，這是允許的。 目前電阻焊密封的石英晶體元件的老化率水平可以控制±5×10-6以下，對(duì)于普通精度產(chǎn)品（頻差大于±30×10-6）的應(yīng)用來(lái)說，老化指標(biāo)對(duì)元件工作影響并不是很重要，對(duì)于小公差（±0×

10、;10-6）以下）的晶體元器件來(lái)說老化是需要關(guān)注的指標(biāo)。  圖8 典型老化曲線   1.7 寄生響應(yīng) 晶體元件除了主響應(yīng)（主頻率）外還有其它頻率響應(yīng)，比較明顯的是主響應(yīng)的泛音，對(duì)工作于泛音模的晶體元件，就是基頻率和其它的泛音。 對(duì)寄生響應(yīng)來(lái)說，要離開主響應(yīng)一段距離，以便在設(shè)計(jì)電路中將其濾除，另一方面，寄生響應(yīng)幅值應(yīng)小于主響應(yīng)。 一般規(guī)定主響應(yīng)附近某頻率范圍的下述比值。 制造商在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)已把這種影響減小到最低程度，再加上振蕩器的合理設(shè)計(jì)極少出現(xiàn)問題。但是為了要求有一個(gè)較大的頻率牽引能力，或一個(gè)較大的C1時(shí)，或高激勵(lì)情況下都會(huì)使寄生響應(yīng)變壞。如果認(rèn)為振蕩器有可能在寄生

11、響應(yīng)處起振，那么應(yīng)進(jìn)行寄生響應(yīng)的試驗(yàn)。AT切泛音晶體的寄生響應(yīng)無(wú)疑是比較接近主響應(yīng)而且幅度較大，規(guī)范中需要有寄生響應(yīng)試驗(yàn)。 1.8負(fù)載電容和頻率牽引 在許多情況下，都有用負(fù)載電容來(lái)牽引晶體頻率的要求。這對(duì)于調(diào)整制造公差，在鎖相回路中以及調(diào)頻應(yīng)用中可能是必要的。 圖9a、是不帶負(fù)載電容的晶體元件，晶體元件跟負(fù)載并聯(lián)。 圖9b是晶體元件跟負(fù)載電容CL串聯(lián)，串聯(lián)負(fù)載電容主要用在振蕩器電路中，晶體和電容器組合相當(dāng)于一個(gè)在負(fù)載諧振器頻率fL處具有圖12a相類似的低阻抗?fàn)顟B(tài)的晶體元件。 圖9c CL與晶體元件并聯(lián)的，網(wǎng)絡(luò)在諧振頻率上呈高阻抗，這種組合主要用在濾波器電路中，其Q值會(huì)大大降低。                               圖9 a)單獨(dú)的晶體元件  b)晶體元件和負(fù)載電容CL串聯(lián)   c)晶體元件與負(fù)載電容CL并聯(lián)   無(wú)論是負(fù)載電容與晶體元件串聯(lián)還是并聯(lián)，負(fù)載電容對(duì)負(fù)載諧振頻率的影