晶振又称石英晶体，是电子产品中最常用的元件之一，主要用于振荡器电路中。晶振主要由晶片、导电胶、电极等器件组成，常见的HC49S、HC49U型晶振的结构示意图分别如图1、图2所示。



    一、主要参数
    标称频率：晶体元件规范所指定的频率。
    调整频差：在基准温度时，工作频率相对于标称频率的最大允许偏离，常用ppm（1/10  6）表示。
    温度频差：在整个温度范围内工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离，常用ppm（1/10 6）表示。
    谐振电阻（Rr）：晶体元件在串联谐振频率Fr时的电阻值。
    负载电容（CL）：与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容。
    静态电容（C0）：等效电路静态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积、晶片厚度和晶片加工工艺，常用计算公式为：C0 =KC0×AeXF0+C常数。KC0—电容常数，其取值与装架形式、晶片形状有关；Ae—电极面积，单位mm 2；FO—标称频率，单位kHz； “C常数”—常数，单位pF。
    动态电容（C1）：等效电路中动态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积，另外还和晶片平行度、微调量的大小有关，常用公式为：C1=KC1×Ae×F0+C常数。KC1—电容常数；Ae一电极面积，单位nun 2； F0（一标称频率，单位kHz；C常数—常数，单位pF。
    动态电感（L1）：等效电路中动态臂里的电感。动态电感与动态电容是一对相关量，常用公式为：L1=1/（2πF0）2； C1，单位：mH。
    串联谐振频率（Fr）：晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个。
    负载谐振频率（FL）：晶体元件与一负载电容串联或并联，其组合阻抗为电阻性的两个频率中的一个频率，计算公式如下：

    品质因数（Q）：品质因数又称机械Q值，它是反映谐振器性能好坏的重要参数，它与L1和C1有如下关系，Q=wL1/Rr=1/（wP rC1）。Rr越大，Q值越低，功率耗散越大。而且还会导致频率不稳定。反之，Q值越高，频率越稳定。
    相对负载频率偏置（DL）：晶体负载谐振频率相对于串联谐振频率的变化量DL=（FL-Fr）/Fr，可由下式近似计算；DL≈C1/2（C0+CL）。
    相对频率牵引范围（DL1，L2）：：晶体在两个固定负载间的频率变化量，D（L1，L2）=I（FL1-FL2）/FrI＝ IC1（CL2-CL1）/2（CO+CL1）（C0+CL2）。
    牵引灵敏度（TS）：晶体频率在一固定负载下的变化率，TS≈ -C1×1000/ 2×（CO+CL）2。
    激励电平相关性（DLD）：由于压电效应，激励电一平强迫谐振子产生机械振荡，在这个过程中，加速度功转化为动能和弹性能，功耗转化为热；后者的转换是由于石英谐振子的内部和外部的摩擦所造成的：摩擦损耗与振动质点的速度有关，当震荡不再是线性的，或当石英振达到临界时，摩擦损耗将增加二因而引起频率和电阻的变化。
    在加工过程中造成DLD不良的主要原因有：（1）-谐振子表面存在微粒污染：主要产生原因为生产环境不洁净或非法接触晶片表面；（2）谐振子的机械损伤，主要产生原因为研磨过程中产生的划痕；（3）电极中存在微粒或银球，产生的主要原因是真空室不洁净和镀膜速率不合适；（4）装架时电极接触不良；（5）支架、电极和石英片之间存在机械应力。
    寄生响应：所有晶体元件除了主响应（需要的频率）之外，还有其他的频率响应。减弱寄生响应的办法是改变晶片的几何尺寸、电极，以及晶片的加工工艺，但这些会同时
改变晶体的动、静态参数。
    寄生响应的侧量：（1）SPDB，用DB表示Fr的幅度与最大寄生幅度的差值；（2）SPUR，在最大寄生处的电阻；（3）SPFR，最小电阻寄生与谐振频率的距离，用Hz或PPM表示。
    1．防止晶体损坏
    石英晶体的心脏部件为石英晶片，它随晶体频率的增加而变薄，因此对于中、高频晶体在使用、运输过程中应避免发生剧烈冲击和碰撞，以防因晶片破裂而造成失效。
    石英晶体是靠导电胶连接基座和晶片的。导电胶的主要成分是银粉和环氧树脂。环氧树脂在高温下会失效。因此，应避免在高温环境下长时间存放石英晶体。
    2．规定工作温度范围及频率允许偏差
    在通常情况下，一般只规定室温下的频差：对于在整个工作温度范围内要求给定频差的应用，还应该规定整个工作温度范围的频差，规定这种频差时，应该考虑设备引起温升的容限。规定整个工作范围内频差的基本方法有两种：
   （1）规定整个温度范围内的总频差，如：-20℃～70℃范围总频差为±50ppm，这种方法一般用于具有较宽频带而不采用频率微调的场合。
   （2）规定下列部分的频差：a．基准温度下的频差为±20ppm ； b．在-20℃～70℃整个温度范围内，相对于基准温度实际频率的偏差±20ppm。这种方法一般用于具有较严频差的，要靠频率牵引来消除基准温度下频差的场合。
    3．负载电容和频率牵引
    在许多应用中，都是用一负载电抗元件来牵引晶体频率。这对于调整制造公差、在锁相环回路中以及调频应用中是必要的二在绝大多数应用中，这个负载电抗元件是容性的。
    负载谐振频率（FL）与谐振频率（Fr）的相对频率成为“负载谐振频率偏置（DL）”，用下式计算相对负载谐振频率偏移：DL=（FL-Fr）/Fr≈C1/2（C0+CL）。
在许多应用中，用可变电容器作为负载电抗元件来调节频率。这个负载电抗元件规定值之间所得到的相对频率范围成为“相对牵引范围”，它可用下式计算：D（L1，L2）=I（FL1～FL2） /FrI＝IC1（CL2－CL1）/2（CO+CL1）（CO+CL2）I
    在规定负载电容下的牵引灵敏度（TS）是一个对设计师十分有用的参数。它定义为负载电容增量变化引起的相对频率增量变化，通常以ppm/pF表示，可通过下式计算：TS≈一C1／2（C0+CL）
    4．对晶体负载电容的估算
    在实际应用中，晶体负载电容与电路中负载电抗的匹配非常重要。如果晶体负载电容与电路负载电抗不匹配，要得到准确的输出频率是很困难的，除非电路中存在一个变容量很大的可调电容器。在设计时，粗略估算晶体负载电容是必要的。常用的晶振电路如图3所示，负载电容CL的容量近似计算如下：CL ≈CIC2 /（C1+C2）+C杂散。

[1] [2]  下一页