石英諧振器基礎知識普及
晶振擁有不同的術語,不同的術語對應不同的技術參數,那么關于這些規格書中,晶振廠家等經常會描述到的術語你知道多少了?
一、術語解釋
1、 標稱頻率:晶振是一種頻率元器件,每一款晶振都有自己的頻率。頻率通常會標識在產品外殼上,進口晶振品牌則會有品牌的logo標識又或字母代替。
2、 工作頻率:晶體與工作電路共同產生的頻率。
3、 調整頻差:在規定條件下,基準溫度(25±2℃)時工作頻率相對于標稱頻率所允許的偏差。
4、 溫度頻差:在規定條件下,在工作溫度范圍內相對于基準溫度(25±2℃)時工作頻率的允許偏差。
5、 老化率:在規定條件下,晶體工作頻率隨時間而允許的相對變化。以年為時間單位衡量時稱為年老化率。
6、 靜電容:等效電路中與串聯臂并接的電容,也叫并電容,通常用C0表示。
7、 負載電容:與晶體一起決定負載諧振頻率fL的有效外界電容,通常用CL表示。負載電容系列是:8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。只要可能就應選推薦值:10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。32.768K晶振常用的負載電容為12.5PF,6PF,9PF等。
8、 負載諧振頻率(fL):在規定條件下,晶體與一負載電容相串聯或相并聯,其組合阻抗呈現為電阻性時的兩個頻率中的一個頻率。在串聯負載電容時,負載諧振頻率是兩個頻率中較低的一個,在并聯負載電容時,則是兩個頻率中較高的一個。
9、 動態電阻:串聯諧振頻率下的等效電阻。用R1表示。
10、 負載諧振電阻:在負載諧振頻率時呈現的等效電阻。用RL表示。RL=R1(1+C0/CL)2
11、 激勵電平:晶體工作時所消耗功率的表征值。激勵電平可選值有:2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等
12、 基頻:在振動模式低階次的振動頻率。
13、 泛音:晶體振動的機械諧波。泛音頻率與基頻頻率之比接近整數倍但不是整數倍,這是它與電氣諧波的主要區別。泛音振動有3次泛音,5次泛音,7次泛音,9次泛音等。
晶振外形
DIP石英晶體諧振器根據其外型結構不同可分為HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/S•SMD、UM-
1、UM-5及柱狀晶體等。
HC-49U適用于具有寬闊空間的電子產品如通信設備、電視機、電話機、電子玩具中。
HC-49U/S適用于空間高度受到限制的各類薄型、小型電子設備及產品中。
HC-49U/S•SMD為準表面貼裝型產品,適用于各類超薄型、小型電腦及電子設備中。
柱狀石英晶體諧振器適用于空間狹小的穩頻計時電子產品如計時器、電子鐘、計算器等。常用體積2*6mm,3*8mm,3*9mm等
UM系列產品主要應用于移動通訊產品中,如BP機、移動手機等。
2、SMD貼片晶振系列
目前MHZ晶體市場小封裝可提供1612貼片晶振,國內廠商瑞泰電子部分頻點可供應樣品。
相比1612貼片晶振封裝,MHZ晶體系列中2016封裝相比成熟也有一定的使用量。
依次排列于2016貼片晶振后的2520貼片晶振,3225貼片晶振,5032貼片晶振,6035貼片晶振,5070貼片晶振,8045貼片晶振。需要強調的是如果頻率在8MHZ以下,且考慮成本和封裝大小的問題,8045貼片晶振是不錯的選擇;如若要求頻率在8M,且封裝要比8045小,3225貼片晶振是佳選擇,瑞泰電子所供應的8M 3225貼片晶振,相比市場有的價格優勢。
石英晶體諧振器主要用于頻率控制和頻率選擇電路。
1、 振動模式與頻率關系:
基頻 1~35MHz
3次泛音 10~75MHz
5次泛音 50~150MHz
7次泛音 100~200MHz
9次泛音 150~250MHz
2、 晶體電阻:對于同一頻率,當工作在高次泛音振動時其電阻值將比工作在低次振動時大。
"信號源+電平表"功能由網絡分析儀完成
Ri、R0:儀器內阻:一般為50Ω
R1--濾波器輸入端外接阻抗,阻抗值為匹配阻抗減去50Ω。
R2--濾波器輸出端外接阻抗,阻抗值為匹配阻抗減去50Ω。
在濾波器條件的匹配阻抗中有時有并接電容要求,應按上圖連接。
3、 工作溫度范圍與溫度頻差:在提出溫度頻差時,應考慮設備工作引起的溫升容限。當對溫度頻差要求很高,同時空間和功率都允許的情況下,應考慮恒溫工作,恒溫晶體振蕩器就是為此而設計的。
4、 負載電容與頻率牽引:在許多應用中,都有用一負載電抗元件來牽引晶體頻率的要求,這在鎖相環回路及調頻應用中非常必要,大多數情況下,這個負載電抗呈容性,當該電容值為CL時,則相對負載諧振頻率偏移量為:DL=C1/[2(C0+CL)]。而以CL作為可調元件由DL1調至DL2時,相對頻率牽引為DL1,L2= C1(CL1-CL2)/[2(C0+CL1)(C0+CL2)]。
5、 負載電容的選擇:晶體工作在基頻時,其負載電容的標準值為20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶體經常工作在串聯諧振,在使用負載電容的地方,其負載電容值應從下列標準值中選擇:8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。
6、 激勵電平的影響:一般來講,AT切晶體激勵電平的增大,其頻率變化是正的。激勵電平過高會引起非線性效應,導致可能出現寄生振蕩;嚴重熱頻漂;過應力頻漂及電阻突變。當激勵電平過低時則會造成起振阻力不易克服、工作不良及指標的不穩定。
7、 濾波電路中的應用:應用于濾波電路中時,除通常的規定外,更應注意其等效電路元件的數值和誤差以及寄生響應的位置和幅度,由于濾波晶體設計的特殊性,所以用戶選購時應特別說明。
石英晶體諧振器的振動實質上是一種機械振動實際上石英晶體諧振器可以被一個具有電子轉換性能的兩端網絡測出
這個回路包括L1 C1 同時C0 作為一個石英晶體的絕緣體的電容被并入回路與彈性振動有關的阻抗R1 是在諧振頻
率時石英晶體諧振器的諧振阻抗(見圖1)
石英晶體作為諧振器在使用時要求其諧振頻率在溫度發生變化時保持穩定溫頻特性與切割角有關每個石英晶體具
有結晶軸晶體切割是按其振動模式沿垂直于結晶軸的角度切割的典型的晶體切割和溫頻特性(見圖2)
AT 型石英晶體諧振器的溫度特性目前大多用三次曲線表示(見圖3) 一個石英晶片在所需要的頻率范圍已滿足的情況下在某一角度被切割以達到要求的工作溫度范圍當然實際上即使在成功的操作中也會有一些由于切割和磨光精確性不夠而造成的角度散布由此操作的精確度需要提高在圖4 中可以看到頻率公差和生產難度等級的關系
負載電容CL 是組成振蕩電路時的必備條件在通常的振蕩電路中石英晶體諧振器作為感抗而振蕩電路作為一個容抗被使用也就是說當晶體兩端均接入諧振回路中振蕩電路的負阻抗-R 和電容CL 即被測出這時這一電容稱為負載電容負載電容和諧振頻率之間的關系不是線性的負載電容小時頻率偏差量大當負載電容提高時頻率偏差量減小當振蕩電路中的負載電容減少時諧振頻率發生較大的偏差甚至當電路中發生一個小變化時頻率的穩定性
就受到巨大影響負載電容可以是任意值但10-30PF 會更佳
Equivalent Circuit of Crystal Oscillation Circuit (晶體振蕩電路中的等效電路)
在振蕩電路中石英晶體諧振器作為感抗被使用石英晶體諧振器和振蕩電路的關系如圖5 所示為提高振蕩電路中的
起振條件須提高振蕩電路中的負阻抗而電路中沒有足夠的負阻抗偏差則較難起振在振蕩電路中負阻抗的值應達
到諧振阻抗的5-10 倍在振蕩電路中負載電容的中心值其決定諧振頻率的值和其變化范圍諧振頻率的良好
調整范圍應保持在佳值
Oscillation Circuit (振蕩電路)一個由石英晶體諧振器組成的典型振蕩電路如圖7 所示
Frequency (MHZ) Cg, Cd (PF) Rd (V) CL (PF)
3-4 27 5.6K 16
4-5 27 3.9K 16
5-6 27 2.7K 16
6-8 18 2.7K 12
8-12 18 1.8K 12
12-15 18 1.0K 12
15-20 15 1.0K 12
20-25 12 660 10
Spurious Resonances (寄生響應)所有石英諧振器均有寄生在主頻率之外的不期望出現的振蕩響應他們在等效電路圖中表現為附加的以R1 L1
C1 形成的響應回路
寄生響應的阻抗RNW 與主諧振波的阻抗Rr 的比例通常以衰減常數dB 來表示,并被定義為寄生衰減aNW=-20 • lg
對于振蕩用晶體,3 至6dB 是完全足夠的.對于濾波用晶體,通常的要求是超過40dB. 這一規格要求只有通過特殊設計工藝
并使用數值非常小的動態電容方能達到.
可達到的衰減隨著頻率的上升和泛音次數的增加而減小. 通常的平面石英晶片諧振器比平凸或雙面凸晶片諧振器的
寄生衰減要良好. 在確定寄生響應參數時,應同時確定一個可接受的寄生衰減水平以及寄生頻率與主振頻率的相對關系.
在AT 切型中,對于平面晶片,"不和諧的響應"只存在于主響應的+40 至+150KHZ 之間,對于平凸或雙面凸的晶片,寄生
則在+200 至+400KHZ 之間.
在以上的測量方法中,寄生響應衰減至20 至30dB 時是可以測量的,對于再高一些的衰減.C0 的補償是必需的.
Drive Level (DLD) (激勵功率依賴性)
石英振蕩器的機械振動的振幅會隨著電流的振幅成正比例地上升. 功率與響應阻抗的關系為Pc=12
qR1, 高激勵功率會
導致共振的破壞或蒸鍍電極的蒸發,高允許的功率不應超過10mV.
由于L1 和C1 電抗性的功率振蕩,存在Qc=Q x Pc. 若Pc=1mV, Q=100.000, Qc 則相當于100W. 由于低的Pc 功率會
導致振蕩幅度的超過,終導致晶體的頻率上移.
隨著晶體泛音次數的增加, 對于激勵功率的依賴性更加顯著.上圖顯示了典型的結果, 但是精確的預期結果還是要
受到包括晶體設計和加工,機械性晶片參數,電極大小,點膠情況等的影響.
可以看出, 激勵功率必須被謹慎地確定,以使晶體在生產中和使用中保持良好的關系.
當今,一個半導體振蕩回路的激勵功率一般為0.1mV,故在生產晶體時也一般按0.1mV 進行.
一個品質良好的晶體可以容易地起振,其頻率在自1nW 逐步增加時均能保持穩定.現在, 晶體兩端的功率很低的半導
體回路也可以在很低的功率的情況下工作良好.
上圖顯示了一個對激勵功率有或無依賴性的晶體的工作曲線的比較.
晶體存在蒸鍍電極不良,晶片表面潔凈度不足, 都會存在如圖所示的在低功率時出現高阻抗的情況, 這一影響稱為
激勵功率依賴性(DLD). 通常生產中測試DLD 是用1~10mV 測試后再用1mV 測試, 發生的阻抗變化可作為測試的標準. 很
顯然, 在增加測試內容會相當大的提高晶體生產的成本.
利用適當的測試儀器可以很快地進行DLD 極限值的測定,但是只能進行合格/不合格的測試.IEC 草案248 覆蓋了根據
(DIV)IEC444-6 制定的激勵功率的依賴性的測量方法.
提供具有充分的反饋和良好脈沖的優化的振蕩回路,可以極大的消除振蕩的內部問題.
Notes for Crystal Unit Applications(石英晶體諧振器使用的注意點)
(1)與HC-49/U 相比,小的石英晶體諧振器(如HC-49U/S, HC-49USM, UM-1, 49T) 都是低激勵功率(100um 或以下). 在使
用之前,須在一個實際的安裝電路中檢驗晶體電流(見圖5).
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(2)須檢查電路的負阻抗,負阻抗的認可見圖8.
負阻抗應是諧振阻抗的5 倍左右.
(3)當使用C-MOS 振蕩器時(見圖7)線路圖中的Rd 是必要的. 如果Rd 達到要求, 激勵功率會保持在規定值內,那么
諧振頻率也就穩定了.
(4)在10-30PF 內,可以用Cg 和Cd, 如果Cg 和Cd<10pf>30PF, 振蕩會被電路現象輕易的影響, 激勵功率會升高,
或負阻抗會減小, 終導致振蕩的不穩定.
(5)晶體振蕩電路的設計應盡量簡短.
(6)電路和線路板間的雜散電容應盡量被減少.
(7)盡量避免晶體振蕩電路穿過其他電路.
(8)如果電路用IC 方式,而且IC 制造各不相同,那么頻率, 激勵功率, 負阻抗須被確認.
(9)泛音振蕩電路還需要附加的參考.
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