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  • 晶体与晶振的基本参数详解
  • 阅读量:2140

  1、晶体振动与晶体的区别

  2)晶体(无源)通常是一种非极性元素,直接插入两英尺。它需要一个时钟电路来产生振荡信号。普通49U,49S包装。

  3)晶振(有源)通常封装在桌子上,有四个脚。内部时钟电路只能通过电源产生振荡信号。一般有7050、5032、3225、2520种包装形式。

  2、MEMS硅晶振和石英晶振的区别

  MEMS的硅晶振是以硅为原料,采用先进的半导体技术制成的。因此,与石英相比,它在高性能、低成本方面具有明显的优势,具体表现在以下几个方面:

  1)全自动半导体技术(芯片级),无气密性问题,永不停止振动。

  2)具有无温度漂移的温度补偿电路,保证全温-40-85℃。

  3)平均无故障工作时间为5亿小时。

  4)地震性能是石英振荡器的25倍。

  5)支持1-800MHz的任意频点,精确输出5位小数。

  6)支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多电压匹配。

  7)支持10ppm、20ppm、25ppm、30ppm、50ppm等精度匹配。

  8)支持7050、5032、3225和2520的所有标准尺寸包装。

  9)标准四腿和六腿封装直接取代石英振荡器,无需任何设计变更。

  10)支持差分输出、单端输出、电压控制(VCXO)、温度补偿(TCXO)等产品类别。

  11)市场增长率300%有望在三年内取代80%以上的石英振荡器市场。

  3、晶体谐振器等效电路

  晶体振荡和晶体参数的详细解释

  上图是一个简化电路,其阻抗特性与谐振频率附近的晶体谐振器相同。其中:C1为动态电容器,也称为等效串联电容器;L1为动态电感,也称为等效串联电感;R1为动态电阻,也称为等效串联电阻;C0为静态电容器,也称为等效并联电容器。

  在这个等效电路中,有两个最有用的零相位频率,一个是共振频率(fr),另一个是反共振频率(fa)。当在振荡电路中使用晶体元件时,它们通常与负载电容器相连,使晶体在fr和fa之间的频率下工作。这个频率由振荡电路的相位和有效电抗决定。通过改变电路的电抗条件,可以在一定范围内调节晶体的频率。

  4、关键参数

  4.1额定频率

  指晶体元件规范中规定的频率,即用户在电路设计和元件选择中所需的理想工作频率。

  4.2调整频差

  参考温度下工作频率与额定频率的最大允许偏差。常见的PPM表示

  如果将ppm转换为百分比符号“%”,则为1 ppm=0.0001%。

  但是在大多数科技期刊中,他们使用厘米()来将ppm转换为:1 ppm=0.001。

  ppm指百万分之一。同样,b和t分别表示十亿和万亿。

  1 ppm=10 ^-6量级,类似于ppb、ppt等,分别为-9倍和-12倍。

  4.3温度频率差

  整个温度范围内工作频率与参考温度的允许偏差。通常用ppm表示。

  4.4老化率

  特定条件下时间引起的频率漂移。该指示器对于精确的晶体是必要的,但它“没有明确的测试条件,而是由制造商通过计划的所有产品的现场测试持续监控。某些晶体元素可能比要求的水平更差,这是允许的(根据国际电工委员会的公告)。解决老化问题的最好方法是制造商和用户之间的密切协商。

  4.5谐振电阻(RR)

  在谐振频率下,晶体元件的等效电阻约等于所谓的动态电阻R1或等效串联电阻(ESR),而不考虑C0的影响。此参数控制晶体元件的品质因数,并决定应用电路中的晶体振荡水平,从而影响晶体的稳定性和能否实现理想的启动。因此,它是晶体元素的一个重要参数。一般来说,对于给定的频率,所选晶体盒越小,平均ESR可能越高;在大多数情况下,特定晶体元件的电阻在制造过程中无法预测,但只能保证低于规范中给出的最大值。

  4.6负载谐振电阻(RL)

  在负载谐振频率fl下,与规定外电容串联的晶体元件的电阻。对于给定的晶体元件,其负载谐振电阻值取决于与该元件一起工作的负载电容值。串联负载电容的谐振电阻总是大于晶体元件本身的谐振电阻。

  4.7负载电容(cl)

  负载谐振频率fl的有效外电容与晶体元件一起确定。晶体元素规范中的氯离子既是一种测试条件,又是一种使用条件。该值可根据用户的具体用途进行调整,对FL的实际工作频率进行微调(即可调整晶体的制造公差)。但它有一个合适的值,否则会使振荡电路恶化。该值通常采用10 pF、15 pF、20 pF、30 pF、50 pF和。当标记cl时,意味着cl是在没有附加负载电容的串联谐振电路中应用的,其工作频率是晶体(串联)谐振频率fr。用户应注意,对于某些晶体(包括非封装振荡器应用),电路实际电容的偏差(+0.5pf)会产生(+10*10-6)在生产规格的给定负载电容下的频率误差(特别是对于小负载电容)。因此,负载电容是一个非常重要的阶跃规范指标。

  4.8静态电容器(C0)

  等效电路静臂中的电容。其尺寸主要取决于电极面积、晶片厚度和晶片加工技术。

  4.9动态电容(C1)

  等效电路动态臂的电容。它的大小主要取决于电极的面积,也与晶圆的平行度和微调的大小有关。

  4.10动态电感(l1)

  等效电路动态臂中的电感。动态电感和动态电容是一对相互关系式。

  4.11共振频率(fr)

  在特定条件下,晶体元件的阻抗是两个电阻频率中的较低值。根据等效电路,当不考虑C0的影响时,fr由c1和l1确定,近似等于所谓的串联(分支)共振频率(fs)。这个频率是晶体的自然共振频率。在高稳定度晶振的设计中,将其作为设计参数,使晶振在额定频率下稳定工作,确定频率调节范围,并设置频率微调装置。

  晶体振荡和晶体参数的详细解释

  4.12负载共振频率(FL)

  在特定条件下,晶体元件与负载电容器串联或并联,当其为电阻时,其组合阻抗为两个频率的一个频率。在串联负载电容器中,FL是两个频率中较低的频率;在并联负载电容器中,FL是较高的频率。对于给定的负载电容值(cl),两个频率的实际效果相同;以及

  该频率是大多数晶体应用电路中的实际频率,也是制造商满足用户要求的产品满足额定频率的测试指标参数。

  晶体振荡和晶体参数的详细解释

  4.13质量系数(Q)

  品质因数又称机械Q值,是反映谐振器性能的重要参数。与L1、C1有以下关系:

  Q=wl1/r1=1/wr1c1

  如上所述,R1越大,Q值越低,功耗和频率不稳定性越大。反之,Q值越高,频率越稳定。

  4.14驱动水平

  用耗散功率表示的晶体元件的激发条件的量度。所有晶体元件的频率和电阻在一定程度上随激励电平的变化而变化,称为激励电平依赖性(DLD)。因此,在实际的晶体应用电路中,订单规格中的激励电平必须是激励电平。由于晶体元件激励电平的内在相关性,在设计振荡电路和使用晶体时,用户必须注意并保证不存在低激励电平、启动不良或激励频率异常的现象。

  4.15励磁水平依赖性(DLD)

  由于压电效应,激励水平迫使谐振子产生机械振荡。在这个过程中,加速功转化为动能和弹性能,动力消耗转化为热能。后者是由石英谐振子的内外摩擦引起的。

  摩擦损失与振动粒子的速度有关。当振动不再是线性的,或石英振子或其表面和悬置点的张力或应变、位移或加速度达到临界值时,摩擦损失将增大。因此,频率和电阻会发生变化。

  在处理过程中导致DLD损坏的主要原因如下。结果可能是它不能启动。

  1)谐波振荡器表面存在粒子污染。主要原因是生产环境不干净或与晶圆表面非法接触。

  2)谐振子的机械损伤。主要原因是磨削过程中的划痕。

  3)电极内有微粒或银球。主要原因是真空室不干净,镀膜速度不当。

  4)安装时电极接触不良;

  5)支架、电极和石英板之间存在机械应力。

  4.16 DLD2(单位:欧姆)

  不同激励水平下负载谐振电阻的最大值与最小值之差。(例如从0.1UW到200UW,总共20步)。

  4.17 RLD2(单位:欧姆)

  不同激励水平下负载谐振电阻的平均值接近谐振电阻Rr,但较大。(例如从0.1UW到200UW,总共20步)。

  4.18寄生响应

  除主响应(所需频率)外,所有晶体元件都有其他频率响应。减小寄生响应的方法是改变晶圆的几何尺寸、电极和晶圆加工工艺,同时改变晶体的动态和静态参数。

  寄生响应测量

  1)SPDB使用db表示fr的大小和最大寄生大小之间的差异。

  2)最大寄生位置处的支路电阻;

  3)SPFR寄生最小电阻与谐振频率之间的距离用Hz或ppm表示。

  5。晶振分类

  5.1封装石英振荡器(SPXO)

  无温度控制和补偿的石英振荡器。频率和温度特性取决于石英振荡晶体本身的稳定性。

  5.2温度补偿石英振荡器(TCXO)

  附加温度补偿电路降低了石英振荡器的频率,该频率随周围温度的变化而变化。

  5.3压控石英振荡器(VCXO)

  控制外部电压以改变或调整输出频率的石英振荡器。

  5.4恒温槽石英振荡器(OCXO)

  恒温槽石英振子或在一定温度下的石英振子晶体,以及在环境温度下通过控制其输出频率来维持最小变化的石英振子。

  除上述四种振荡器外,随着锁相环、数字和存储技术的应用,各种功能的石英振荡器也在迅速增长。

 



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