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晶振的主要参数与使用须知
来源:本站整理  作者:佚名  2015-11-25 09:08:41

    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。

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