晶體元件的主要參數

1、晶體元件的主要參數        1.1等效電路 作為一個電氣元件，晶體是由一選定的晶片，連同在石英上形成電場能夠導電的電極及防護殼罩和內部支架裝置所組成。 晶體諧振器的等效電路圖見圖1。 等效電路由動態(tài)參數L1、C1、R1和并電容C0組成。這些參數之間都是有聯系的，一個參數變化時可能會引起其他參數變化。而這些等效電路的參數值跟晶體的切型、振動模式、工作頻率及制造商實施的具體設計方案關系極大。 下面的兩個等式是工程上常用的近似式： 角頻率=1/ 品質因數Q=L1/R1 其中 L1為等效動電感，單位mH C1為等效電

2、容，也叫動態(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現參數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 對諧振電阻來說，供應商對同一型號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更大。對于一給定的頻率，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模式有關。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，在選擇產品時應充分考慮可實現的可能性，超出這個可能范圍，成本會急劇增加或成為不可能,當頻率接近晶體盒下限時,應與供應商溝通。下表是不同晶體盒可實現的頻率范圍。   圖4 充有一個大氣壓力氣體（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 振動模式 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。 電路設計人員可能只規(guī)定室溫頻差，但對于在整個工作溫度范圍內要求給定頻差的應用，除了給定室溫下的頻差還應給出整個工作溫度范圍內的頻差。給定這個頻差時，應充分考慮設備引起溫升的容限。 通常有兩種方法規(guī)定整個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的應用場合。 2）規(guī)定下列部分頻差 基準溫度下的頻差為±10×10-6 在-30+60溫度范圍內，相對于基準溫度實際頻率的頻差±20×10-6，這種方法常用于較嚴頻差，*頻率牽引來消除基準溫度下的頻差的場合。 對于溫度曲線為拋物線的BT切晶體，可以規(guī)定基準溫度下的頻差為正公差，如+20×10-6。 一般來講,應該根據系統(tǒng)的要求來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、所用的振動模式不同其變化相當大，圖5給出了常用切型的頻率溫度特性關系的理論曲線。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保證在規(guī)定的溫度范圍內得到規(guī)定的性能。實際上由于設計制造的多種限制，這些理論曲線僅供做為指導性資料。應當說明的是在選擇較小的溫度頻差時需要付出較高的代價。對于一般用作數字電路（如PC）時鐘的應用場合，±30×10-6、±50×10-6的溫度頻差已經足夠了，只有在通

7、信系統(tǒng)和精確計時基準的應用時才會考慮更嚴的溫度頻差。 圖7表明了AT切晶體當規(guī)定特別小溫度頻差時所花費的代價。過嚴的頻差會導致制造成本的增加，設計人員應充分評估所需的頻差范圍。   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 激勵電平的影響 實際上，所有晶體元件的頻率都在一定程度上隨激勵電平變化而變化(微量變化)，一般來說，AT切晶體的頻率會隨激勵電平增大而略有升高。過高的激勵電平會導致諧振器溫度特性的畸變，并激活寄生模。過高的激勵使晶體發(fā)熱和應力過大，從而產生不可逆的頻率漂移。 非常低的激勵電平（數微瓦或更低）下，晶體元件的諧振電阻可能比

8、在額定激勵電平下電阻值高很多，以致使振蕩器越振越困難。這種效應經過一段非工作狀態(tài)的貯存后會加劇，這就是激勵電平相關性（DLD）。因此，晶體在電路中實際使用的激勵電平不應過大和過小。 下面是IEC推薦的激勵功率的常用值。 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間的延續(xù)而變化，這就是所說的老化，人們最關注的是諧振頻率隨時間的變化。 對AT切晶體來說，在晶體使

9、用初期，老化主要受元件內部應力釋放影響，頻率向升高方向變化，而后期受電極膜吸附的影響，其頻率按對數關系向降低方向變化，隨時間增加變化量逐漸降低，見圖4。為減小出廠時的老化率，生產商大都對產品進行了預老化。 對老化指標，一般都規(guī)定產品的老化水平,而它并非明確的試驗條件,這種“水平”，是通過生產有計劃的抽檢而獲得的?？赡苣承﹤€別晶體元件比規(guī)定水平會差，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，對于普通精度產品（頻差大于±30×10-6）的應用來說，老化指標對元件工作影響并不是很重要，對于小公差（±0×

10、;10-6）以下）的晶體元器件來說老化是需要關注的指標。  圖8 典型老化曲線   1.7 寄生響應 晶體元件除了主響應（主頻率）外還有其它頻率響應，比較明顯的是主響應的泛音，對工作于泛音模的晶體元件，就是基頻率和其它的泛音。 對寄生響應來說，要離開主響應一段距離，以便在設計電路中將其濾除，另一方面，寄生響應幅值應小于主響應。 一般規(guī)定主響應附近某頻率范圍的下述比值。 制造商在進行標準產品設計時已把這種影響減小到最低程度，再加上振蕩器的合理設計極少出現問題。但是為了要求有一個較大的頻率牽引能力，或一個較大的C1時，或高激勵情況下都會使寄生響應變壞。如果認為振蕩器有可能在寄生

11、響應處起振，那么應進行寄生響應的試驗。AT切泛音晶體的寄生響應無疑是比較接近主響應而且幅度較大，規(guī)范中需要有寄生響應試驗。 1.8負載電容和頻率牽引 在許多情況下，都有用負載電容來牽引晶體頻率的要求。這對于調整制造公差，在鎖相回路中以及調頻應用中可能是必要的。 圖9a、是不帶負載電容的晶體元件，晶體元件跟負載并聯。 圖9b是晶體元件跟負載電容CL串聯，串聯負載電容主要用在振蕩器電路中，晶體和電容器組合相當于一個在負載諧振器頻率fL處具有圖12a相類似的低阻抗狀態(tài)的晶體元件。 圖9c CL與晶體元件并聯的，網絡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值會大大降低。                               圖9 a)單獨的晶體元件  b)晶體元件和負載電容CL串聯   c)晶體元件與負載電容CL并聯   無論是負載電容與晶體元件串聯還是并聯，負載電容對負載諧振頻率的影