超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体
　　以石英,水晶为原材料的石英晶体和石英晶体振荡器已拥有很长一段历史了,按时间算已经有100多年,只不过在20世纪40年代才开始真正的发展起来,并且非常迅速,至今石英晶振已经成为各种电子,电气,智能产品重要的,关键的电子元器件.虽然已经很常用了,但如果不是专业人士,一般群众对晶体的认识少之又少,金洛鑫电子整理的这些资料,可以带广大新老客户全方位的了解什么是晶体晶振,看完之后至少会有基础的认识,如有疑问,欢迎在评论区留言!
背景历史
　　雅克和皮埃尔·居里于1880年发现了石英的压电特性.第一个石英晶体振荡器是由沃尔特·卡迪在1921年制造的.1923年,英国国家物理实验室的戴伊和贝尔电话实验室的沃伦·马里奥森用石英振荡器产生了一系列精确的时间信号.
压电效应
　　石英板在受到电荷时显示出机械运动或应变,相反,当受到机械应力时,它们显示出面之间的电位差.电应力和机械运动之间的这种关系被称为压电效应.压电谐振器有四种基本的机械振动模式.
　　1.弯曲模式
　　2.剪切模式
　　3.纵模
　　4.扭转模式
AT切割水晶
　　最常见的晶体设计之一是AT切割晶体,它将是贯穿本应用笔记的参考晶体类型.对于1兆赫以上的频率,通常只使用厚度剪切振动模式.AT切割晶体的频率由晶体的厚度决定,即晶体越薄,频率越高.谐振器的振动质量相当于一系列运动电感,L1.晶体的机械损耗表现为等效串联电阻R1,而晶体的机械弹性相当于串联电容C1.C0是与保持器和电极电容相关联的并联电容.AT切割晶体具有良好的稳定性和温度特性,这是它们受欢迎的原因之一.

公式-等效电子
　　除非另有说明,否则ATCut晶体将以基本模式运行.但是,任何AT晶振都可能以基频的泛音或奇数倍数工作.这意味着10MHz的基本晶体将在10MHz,30MHz[第三次泛音],50MHz[第五次泛音]等条件下工作.使用泛音[奇次谐波]可使高频工作,同时保持较厚的石英晶片.

等效电路
　　石英晶体的等效电路如下所示.可以指定每个组件来帮助表征设备的独特属性.在定义石英晶体的规格时,应检查等效电路的各个参数.对于所有设计,每种类型的晶体设计都有限制.

　　等效电路由以下参数组成.所有参数都可以通过设计进行自定义,但可以捆绑在一起,因此对一个参数的更改会更改其他参数.
L1:晶体的运动电感取决于运动中石英的机械质量.较低的频率(较厚和较大的石英晶片)趋向于运行几亨,而较高的频率(较薄和较小的石英晶片)趋向于运行几毫亨.L1和C1之间的关系由以下公式定义.最好让客户指定C1[必要时],然后可以计算L1.
超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

　　C1:动电容由石英的刚度[常数],晶体表面的金属化面积[电极尺寸]以及晶片的厚度和形状决定.在较低的频率下,必须对晶片进行定形(轮廓或倒角)以提高性能.这将降低设备的C1.基本模式晶体的C1范围约为0.005pF至0.030pF.通常,如果在泛音上使用基本设计,则C1将除以泛音的平方.[第三谐波将是基本面的1/9]
超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

　　R1:运动电阻是贴片晶振等效电路的电阻元件.该电阻表示晶体在自然谐振频率[串联谐振]下的等效阻抗.对于给定的晶体Q和串联谐振频率,运动电阻与晶体的有效面积成反比.有效面积与电极面积大致相同.因此,较小的晶体具有较高的R1.实际上,较小晶体的Q不如较大晶体的Q高.减小的Q也有助于提高R1.如果未将电路调整为适应更高的R1,则可能导致振荡器出现启动问题.
超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

　　C0:晶体的并联电容部分归因于晶片的厚度.这是在不振动的情况下测得的电容.分流电容范围为1-7pF.由于与振荡器电路兼容,通常不超过7pF.
超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

　　品质因数[Q]:代表谐振曲线的清晰度的因数.与其他谐振器类型相比,石英具有很高的Q值,典型值范围为10,000至100,000s.
超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

频率
　　频率值通常以千赫兹[kHz]为单位,最高为999.999,以兆赫兹[MHz]为1.0以上.
公差与稳定性
　　频率值通常以千赫兹[kHz]为单位指定,最高为999.999,以兆赫兹[MHz]为单位.
　　1.在室温下校准,或有时称为公差
　　2.在温度范围内的稳定性
　　3.老化
　　室温下的校准是+25℃下电路中频率的精度.典型公差范围为±10ppm至±100ppm.通过改变电极的质量,可以将晶体调谐到规定公差内的所需频率.较高的频率对质量变化更敏感,因此更难保持更严格的公差.存在在某些设计上满足±5ppm精度的能力,但是在某些情况下,测量的可重复性成为问题.对于大多数设计而言,只有在规定的精度超过±10ppm且对±5ppm的要求应用了可观的成本增加器之后,才产生高额成本.
　　高温稳定性取决于切割石英棒以生产晶片的角度.这与校准无关.选择该角度可控制给定温度范围内的频率漂移.最受欢迎的频率削减系列是“AT”削减.ATCut用于以+25℃为中心的非受控环境.
　　可以选择三个不同的角度来优化不同范围内的性能.较低的角度可用于-20℃~+70℃的温度范围,应选择较大的角度以适用于较宽的温度范围.在给定的温度范围内,在更严格的公差(较小的ppm偏移)范围内的性能受到曲线本身以及角度切割精度的限制.好的切割精度可以低至1至2分钟,而测量精度则可以精确至0.1分钟.与该过程有关的扩散和为3分钟以上的时间增加的成本增加了成本.曲线允许对温度范围的公差进行理论限制.注意不要指定不可能的情况.
　　典型AT-Cut晶体的温度曲线显示在右侧.这通常被称为Bechmann曲线.石英水晶振子的老化是其频率相对于时间的变化.

串联或并联
　　一个常见的问题是应为晶体指定什么相关性:串联或并联?如果是并联,应指定什么负载电容?这些问题可以通过分析晶体将使用哪种类型的振荡器电路来回答.晶体制造商必须知道此信息,才能将晶体正确调整到特定应用所需的频率.振荡发生的频率由该公式定义.
超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

　　晶体的电抗曲线揭示了发生机械共振的位置.串联谐振发生在曲线过零的点.在这一点上,晶体似乎是一个被电容分流的简单电阻.通过在晶体上串联或并联增加电容[负载],会发生并联谐振,从而导致正频移.

　　如果指定的晶振相关性错误,则该晶振仍将运行,但会偏离所需频率运行.对于大多数应用,串联和并联之间的频移约为±300ppm.
负载电容
　　如果指定了并联谐振,但调出了错误的负载电容,则将出现频率误差.对于公差要求比较严格的应用,正确指定此参数至关重要.对于大多数微处理器应用,两个负载电容器分别连接到晶体的每个引脚到地.为了计算合适的负载电容CL,您必须考虑晶体插入应用时将看到的总电容CT.由于应用板的原因,它将看到负载电容器以及任何其他杂散电容CS.用于计算总负载的公式定义为:

　　在上述示例中,根据选择的CL1和CL2值,计算得出的负载电容为19pF或21.5pF.大多数晶体公司的标准负载电容为18pF或20pF,在这些示例中可以接受.可变电容器可以代替固定电容器之一,并且频率可以被“微调”或少量调整至期望的频率.修整范围的量有时称为“可拉性”或“修整灵敏度”.如果这对您的电路很重要,则应指定晶体的动电容,以确保修整范围的一致性.
可拉性
　　当晶体以并联谐振运行时,它在电路中看起来是电感性的.随着电抗的改变,频率相应地改变,从而改变了晶体的可拉性.fs和fa之间的差异取决于晶体的C0/C1比.可以设计晶体的可拉伸性以满足客户的要求.但是,上拉功能随封装尺寸,电极尺寸,频率,负载电容范围和工作模式而变化.

杂散模式
　　石英晶体具有许多振动模式,可以通过振荡器输入正确的频率来激发它.可以调整晶片的设计,电极图案和金属化量以抑制这些有害模式.这些不需要的模式称为伪模式.
　　如果响应与主模式一样强,则杂散模式可能会成为问题.发生这种情况时,振荡器可能会以杂散模式而不是主模式运行.这称为模式跳跃.杂散模式应指定为与主模式的电阻比或dB抑制.1.5或2到1的电阻比足以避免大多数石英晶体振荡器的模式跳变.-3dB到-6dB大约等效于dB规格.
　　晶体的基本模式可以实现最佳的杂散抑制,而泛音响应则更难控制.由于可拉性原因而需要较高C1值的设计也可能会牺牲杂散模式抑制.对于晶体滤波器设计,基本模式/低C1设计可以满足低至-40dB的杂散模式抑制.
　　杂散模式出现在主模式以下几百千赫兹的范围内,响应可能如下图所示.某些振荡器设计有时需要指定抑制泛音响应.由于所有的泛音响应都可以激发为振动,因此会发生从基频到第三泛音的模式跳变.为了减少电路修改成本,也可能需要或希望使用振荡器设计.这些修改有时会影响其他参数,因此明智的做法是与工厂联系以讨论设计选项.

其他常用术语和概念
　　晶体的老化是频率相对于时间的变化.该性能受两个主要因素影响:污染和压力.老化值范围从第一年的小于±1ppm到第一年的高达±5ppm,并取决于频率,设计和包装样式.自身附着在晶片表面的污染会由于质量负载而导致负频率偏移.制造过程的清洁度和晶体的清洁度可以改善老化性能.包装的气密性有助于在晶体使用寿命内避免污染.封装类型和密封方法也可以改善老化性能.
　　在应力随时间的松弛过程中,对石英晶片的应力效应会导致正向频移.该应力是由于安装结构扭曲,推动或拉动晶片而产生的.这可能发生在石英毛坯的处理,环氧树脂安装胶的固化,晶体安装结构以及设备中使用的金属电极材料类型的晶体的各种组件中.加热和冷却还由于不同的膨胀系数而引起应力.随着系统松弛,系统中的压力通常会随着时间而变化,这可能会导致频率变化.为了帮助加速应力的松弛,有时会使用热循环来”锻炼”安装结构并缓解应力.
　　加速老化可以通过加速加热来预测老化性能.将晶体放在高温烤箱中会加速老化效果,因此可以在短短几周内看到一年的老化时间.晶体的时效曲线是对数的,因此在第一年中观察到最差的时效.指定老化规范时的一个常见错误是,假设第一年的±1ppm老化意味着±10ppm的十年.这不是真的.第一年±1ppm的老化将导致十年内约±3ppm.
　　测量精度当指定晶体的公差时,测量精度可能是可制造性的问题.使用”零相位”或无源测量技术,精度可能达到百万分之几.对于串联谐振晶体,由于测量的可重复性,±5ppm的公差不被认为是问题.当指定并联谐振或负载测量时,故障开始.测量的最终精度取决于负载电容的精度.并联谐振测量中使用的负载电容器的精度由下面的调整灵敏度公式表示.如果负载电容变小,则DeltaF/pF将变大.另外,如果运动电容变大,则ΔF/pF变大.
例如:
　　100MHz基本
　　C1为0.020pF
　　C0为4.5pF
　　对于10pF的负载电容,调整灵敏度将为48ppm/pF.
超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

　　如果负载电容的精度为0.5pF,则测量精度为24ppm.另一方面,如果负载为20pF,则修整灵敏度为16ppm/pF,并且在相同负载精度下,测量精度为8ppm.这些仅是说明指定低负载电容的影响的示例.
　　驱动电平是晶体中耗散的RMS功率量,通常以毫瓦[mW]或微瓦[µW]表示.最大驱动电平是晶体可以安全消散并仍在规定的电气参数范围内保持功能的最大功率.过多的驱动器电平会导致频率意外变化[加速老化],从而导致等效串联电阻增加.如果发生对晶体安装结构的损坏,这些变化可能是永久性的,如果谐振器损坏,这些变化将是灾难性的.
　　晶体的测量还需要指定驱动电平.为了获得更高的精度,首选较低的驱动级别.驱动级别通常在10uW至2mW之间.具有较大石英晶片的低频设备可以处理更高的驱动电平而不会造成损坏.更高的驱动电平(高于5mW)可能会损坏较小的高频设备.当今的应用很少能驱动高于2mW的晶体,典型的最大功率为100uW.
　　如果客户未定义,CTS将指定100uW的标准最大驱动器级别.由于在振荡电路工作时驱动电平指示晶体单元的功耗,因此将晶体保持在驱动电平规格之内非常重要.
　　驱动电平相关性[DLD]或驱动电平灵敏度[DLS]描述了一种现象,即由于石英固有的微小材料非线性,所有谐振器都取决于某个驱动电平.DLD是可以防止晶振开始振荡的原因之一.在低驱动水平下,某些石英谐振器的串联电阻可能会大幅增加,从而阻止了它们开始振荡.一些工程师将它们描述为“睡眠晶体”.该电路有时会启动,而不会在其他时间启动,但可以通过触摸示波器探头,手指或更多驱动器来激发.实施DLD测试可以确保ESR和频率的变化在最大范围内,从而确保了初始电源启动.
　　环境在晶体规格中,电气性能规格将确定其是否可以正常运行,但是环境规格可确保晶体的可靠性.重要的是要认识到应用环境并适当地指定要求.MIL-STD-202定义了适用于晶体的环境测试:
　　•机械冲击
　　•振动
　　•耐腐蚀性能
　　-湿度
　　-盐雾
　　-湿气
　　•热冲击
　　•气质
　　•可焊性
　　机械冲击测试决定了跌落时设计的强度.军方使用的标准基线规格是100克.如果应用程序环境良好,并且在组装过程中使用了适当的处理方法,则此规格已足够.但是在很多情况下,零件在组装过程中会意外掉落,我们希望晶体仍能正常工作.从桌面高度掉落水晶可能会导致超过1,000克的重量.CTS设计范围从500克到10,000克以上.持续时间[时间]通常伴随着g电平来表征脉冲.低冲击水平下的持续时间可能很长[20ms].较高的震动等级[5,000g’s]会缩短持续时间[1/4ms].一些设计是专门的,有时会影响电气性能.请联系CTS以获得有关特定晶体设计性能的信息.另外,CTS可以建议适当的处理程序,以避免损坏晶体.
　　振动测试晶体在振动条件下的功能.如果冷却风扇在机架中运转,则它可能会振动,从而导致晶体振动.如果引擎靠近水晶,会感觉到震动.振动会导致石英晶片破裂或破裂,从而损坏晶体.为了通过更严格的振动要求,需要对内部安装结构进行适当的设计.军事基准振动规范为10g,适用于10到500Hz.晶体的更严格的规范是在更高的频率(高达200Hz)和/或更高的g水平.同样重要的是,应将晶体安装在印刷电路板上,以减少晶体和电路板的Q形.Q-ing是当振动由于与板或晶体的自然共振而放大时.发生这种情况时,g含量会显着升高,通常会损坏晶体.
　　耐腐蚀性是晶体抗锈的能力.盐雾测试表明,金属或陶瓷包装不会生锈,并且包装不会随时间而破裂.如果金属部分未正确电镀,则用于制造的水洗系统可能会使包装生锈.对于电阻焊应用,CTS使用镍合金盖或镀镍的KOVAR盖以确保CTS零件不会生锈.
　　湿度和湿度测试不仅可以测试防锈性能,还可以测试密封包装的渗透性.如果水分进入包装内,将导致性能不佳或无输出.为了在晶体中具有出色的长期性能,必须具有良好的干燥气氛.
　　热冲击是一种在温度快速变化的情况下测试封装和石英晶片兼容性的方法.如果不兼容,晶体的性能将急剧变化或封装可能泄漏.通常,在热冲击后执行泄漏测试.对于晶体,标准测试是在空对空环境中进行的,温度范围从-65℃到+125℃.液对液测试通常不用于晶体.
　　密封测试确定包装中是否存在泄漏.通常指定两种测试:总泄漏和细泄漏.大多数晶体包装都应同时通过.总泄漏测试涉及通过将晶体浸入液体室内来进行某种类型的气泡检查.精细泄漏测试系统使用氦气作为示踪气体和氦气检测器.可以检测到低至1x10-9cc/sec的电平.大多数晶体规格为1x10-8cc/sec.良好的气密性将确保在晶体的整个使用寿命内具有良好的老化效果.
　　可焊性测试确定焊料对晶体谐振器的引线或附着垫的润湿性.在使用弱助焊剂或不使用清洁工艺的大批量生产中,必须具有良好的可焊性,以减少对电路板清洗的需求.蒸汽老化是一种测试方法,用于验证随着时间的推移实现了良好的可焊性.在可焊性测试之前用蒸汽对引线进行预处理,可以帮助延长长达6个月的保质期.这对您的应用程序可能很重要.如果您在收到晶体后迅速使用晶体,则可能不需要进行蒸汽测试.通过指定MIL-STD-202方法208,将需要进行蒸汽预处理.在您的晶体上要求进行此测试可能会稍微影响价格,因此,在指定蒸汽预处理之前,考虑您的应用可能是您的优势.
词汇表:
活性下降
　　一种不需要的晶体特性,表现为晶体电阻和共振频率的突然变化,随后同样突然地恢复到先前的值.活性下降受晶体驱动电平和负载电容的影响很大.
老化
　　由于石英晶体谐振器内部变化引起的频率随时间的系统变化.老化通常表示为每年百万分之几的最大值[ppm/年].老化的速度本质上是对数的.以下因素影响晶体老化:谐振器表面污染物的吸附和解吸、安装和粘合结构的应力消除、材料除气和密封完整性.
角度
　　相对于主晶轴,谐振器毛坯从石英材料上切割下来的角度[以度、分和秒为单位].切割角度是控制石英晶体单元频率与温度性能的主要因素.
AT切割晶体单元
　　特定类型石英晶体切割的分类.AT切割是当今最受欢迎的切割类型,适用于兆赫范围内的晶体单元.AT切割被分类为厚切变体声波[BAW]晶体单元,具有立方频率-温度曲线,拐点接近室温.它因其出色的温度频率特性而广受欢迎.
基地
　　底座通常被称为支架或顶盖,是石英晶体单元封装的子组件.
空白的
　　一种半加工石英谐振器,通常没有电极镀层及其支架或底座.
BT切割晶体单元
　　特定类型石英晶体切割的分类.BT切割以与at切割近似相反的角度进行加工,并被分类为厚度剪切晶体单元,具有抛物线频率-温度曲线,其拐点接近室温.因此,在给定的工作温度范围内,BT切割晶体将比AT切割晶体表现出更大的频移.
电容率
　　晶体分流电容[C0]除以晶体运动电容[C1].并联负载谐振频率变化的指示器,是晶体负载电容给定变化的直接结果.在VCXO晶振应用中,频率调制需要晶体并联谐振频率的变化,可以指定电容比,符号”r”.当在物理石英晶体设计中实现时,该比值有局限性.
陶瓷封装
　　这种封装通常被称为集管或无引脚芯片载体(LCC),是一种表面贴装晶体封装,以陶瓷为主要封装材料.这种封装与金属盖或盖集成在一起,为石英晶体提供了一个密封的密封外壳.
晶体切片
　　相对于石英棒的晶轴切割晶体空白板.晶体切割的类型影响晶体的老化频率稳定性和其他参数.
晶体等效电路
　　晶体器件由镀有金属[电极]的石英谐振器毛坯组成.该镀层位于晶体的两侧,并与晶体封装上的绝缘引线相连.该器件在两个晶体电极之间表现出压电响应,用晶体等效电路表示,该等效电路由以下元件组成:运动电容[C1]、运动电感[L1]、运动电阻[R1]和分流电容[C0].
晶体振荡器
　　一种计时装置,由石英晶体谐振器和振荡器维持电路(通常为时钟集成电路)组成,集成在单个封装中,以特定的参考频率提供输出波形.该术语通常缩写为XO或SPXO[简单封装晶体振荡器].
晶体单元
　　一种计时装置,由石英晶体谐振器及其相关组件组成.
驱动电平
　　石英晶体的驱动或激励电流的函数.驱动电平是指晶体中的功耗,以微瓦或毫瓦表示.最大驱动功率是器件在保证所有电气参数的情况下仍能保持运行的最大功耗.驱动水平应保持在启动正确启动和确保稳态振荡所需的最低水平.过高的驱动电平会导致老化特性变差,并可能对晶体造成永久性损坏.
等效串联电阻
　　晶体器件的电阻元件[R1],单位为欧姆.在晶体的串联谐振频率下,运动电感[L1]和运动电容[C1]的欧姆值相等,但相位正好相反.最终结果是它们相互抵消,在等效电路的串联支路中只剩下一个电阻.电子自旋共振测量仅在串联谐振频率[fS]下进行,而不是在某个预定的并联谐振频率[fL]下进行.
弯曲振动
　　音叉晶体谐振器的一种振动模式,其中振动板的弯曲运动用作振动源.这种类型的振动适用于低频[千赫]晶体器件.
频率
　　以赫兹[赫兹]计量,它是一个事件在一个时间单位内的周期性重复.在电路中,它是指谐振片在一秒钟内振荡或振动的次数.
频率稳定度
　　工作温度范围内与环境温度频率的频率偏差量.该术语表示为最小和最大百分比[%]或百万分之几[ppm],由以下主要因素决定:石英切割的类型和石英切割的角度.一些次要因素包括:工作模式、负载电容和驱动电平.
频率公差
　　通常称为校准精度,它是指室温[+25℃]下与规定的额定频率的频率偏差量.该术语表示为最小和最大百分比[%]或百万分之几[ppm].
基本形式
　　共振板振动的第一阶和最低阶频率由共振板的物理尺寸决定.
赫兹[赫兹]
　　频率的基本测量单位.它是用来表示一个事件在一秒钟内一次完全发生的度量.晶体的频率以兆赫或千赫为单位.
绝缘电阻
　　以最小值表示的晶体引线之间以及晶体引线和基极之间的电阻.
负载电容
　　呈现给晶体的电容,单位为皮法.并联负载谐振频率[fL]是负载电容的函数.
运行方式
　　石英晶体被设计成根据其基本模式或其泛音之一振动.对于AT切割石英晶体,泛音模式为奇次谐波.石英器件的工作模式是决定振荡频率的因素之一.
运动电容
　　晶体单元中的等效静电电容分量.晶体的运动电容[C1]和运动电感[L1]以串联谐振频率[fS]谐振.当C1在石英晶体设计中实现时,它的实际价值有物理限制.这些限制包括操作模式、晶体切割、机械设计和标称频率.
运动电感
　　晶体单元中的等效电感元件.晶体的运动电感[L1]和运动电容[C1]以串联谐振频率[fS]谐振.当L1在石英晶体设计中实现时,它的实际价值有物理限制.这些限制包括操作模式、晶体切割、机械设计和标称频率.
标称频率
　　晶体的特定参考频率或中心频率,通常以兆赫[兆赫]或千赫[千赫]表示.贴片石英晶振设计和制造所需的频率.
工作温度范围
　　设备在振荡过程中可能暴露的最低和最高温度.在此温度范围内,所有设备指定的操作参数都得到保证.
泛音模式
　　基本振动阶的奇数倍数.
包裹
　　用于容纳石英晶体毛坯的支架或集管.该封装有利于毛坯安装,并保持惰性气氛,以保持内部晶体的振动性能.包装包括金属或陶瓷等材料,分为通孔或表面贴装.
抛物线温度曲线
　　频率与温度的关系曲线,显示温度高于或低于周转温度时频率降低.
超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

正在载入评论数据...

上一篇：2020年接连发生灾难是电子元件行业的机遇还是危机?

下一篇：炒热后又冷却的人工智能在疫情后有怎样的改变

此文关键字： AT切石英晶体资料石英晶振历史晶振技术指标

姓名：
邮箱：
正文：

资讯中心

金洛博客

超详细业内资料一篇文带你全方位了解什么是石英晶体

相关资讯