超詳細(xì)業(yè)內(nèi)資料一篇文帶你全方位了解什么是石英晶體
來(lái)源：http://m.techzozo.com 作者：金洛鑫電子 2020年07月08
超詳細(xì)業(yè)內(nèi)資料一篇文帶你全方位了解什么是石英晶體
以石英,水晶為原材料的石英晶體和石英晶體振蕩器已擁有很長(zhǎng)一段歷史了,按時(shí)間算已經(jīng)有100多年,只不過(guò)在20世紀(jì)40年代才開(kāi)始真正的發(fā)展起來(lái),并且非常迅速,至今石英晶振已經(jīng)成為各種電子,電氣,智能產(chǎn)品重要的,關(guān)鍵的電子元器件.雖然已經(jīng)很常用了,但如果不是專(zhuān)業(yè)人士,一般群眾對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)少之又少,金洛鑫電子整理的這些資料,可以帶廣大新老客戶(hù)全方位的了解什么是晶體晶振,看完之后至少會(huì)有基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí),如有疑問(wèn),歡迎在評(píng)論區(qū)留言!
背景歷史
雅克和皮埃爾·居里于1880年發(fā)現(xiàn)了石英的壓電特性.第一個(gè)石英晶體振蕩器是由沃爾特·卡迪在1921年制造的.1923年,英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的戴伊和貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的沃倫·馬里奧森用石英振蕩器產(chǎn)生了一系列精確的時(shí)間信號(hào).
壓電效應(yīng)
石英板在受到電荷時(shí)顯示出機(jī)械運(yùn)動(dòng)或應(yīng)變,相反,當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力時(shí),它們顯示出面之間的電位差.電應(yīng)力和機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的這種關(guān)系被稱(chēng)為壓電效應(yīng).壓電諧振器有四種基本的機(jī)械振動(dòng)模式.
1.彎曲模式
2.剪切模式
3.縱模
4.扭轉(zhuǎn)模式
AT切割水晶
最常見(jiàn)的晶體設(shè)計(jì)之一是AT切割晶體,它將是貫穿本應(yīng)用筆記的參考晶體類(lèi)型.對(duì)于1兆赫以上的頻率,通常只使用厚度剪切振動(dòng)模式.AT切割晶體的頻率由晶體的厚度決定,即晶體越薄,頻率越高.諧振器的振動(dòng)質(zhì)量相當(dāng)于一系列運(yùn)動(dòng)電感,L1.晶體的機(jī)械損耗表現(xiàn)為等效串聯(lián)電阻R1,而晶體的機(jī)械彈性相當(dāng)于串聯(lián)電容C1.C0是與保持器和電極電容相關(guān)聯(lián)的并聯(lián)電容.AT切割晶體具有良好的穩(wěn)定性和溫度特性,這是它們受歡迎的原因之一.
公式-等效電子
除非另有說(shuō)明,否則ATCut晶體將以基本模式運(yùn)行.但是,任何AT晶振都可能以基頻的泛音或奇數(shù)倍數(shù)工作.這意味著10MHz的基本晶體將在10MHz,30MHz[第三次泛音],50MHz[第五次泛音]等條件下工作.使用泛音[奇次諧波]可使高頻工作,同時(shí)保持較厚的石英晶片.
等效電路
石英晶體的等效電路如下所示.可以指定每個(gè)組件來(lái)幫助表征設(shè)備的獨(dú)特屬性.在定義石英晶體的規(guī)格時(shí),應(yīng)檢查等效電路的各個(gè)參數(shù).對(duì)于所有設(shè)計(jì),每種類(lèi)型的晶體設(shè)計(jì)都有限制.
等效電路由以下參數(shù)組成.所有參數(shù)都可以通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行自定義,但可以捆綁在一起,因此對(duì)一個(gè)參數(shù)的更改會(huì)更改其他參數(shù).
L1:晶體的運(yùn)動(dòng)電感取決于運(yùn)動(dòng)中石英的機(jī)械質(zhì)量.較低的頻率(較厚和較大的石英晶片)趨向于運(yùn)行幾亨,而較高的頻率(較薄和較小的石英晶片)趨向于運(yùn)行幾毫亨.L1和C1之間的關(guān)系由以下公式定義.最好讓客戶(hù)指定C1[必要時(shí)],然后可以計(jì)算L1.
C1:動(dòng)電容由石英的剛度[常數(shù)],晶體表面的金屬化面積[電極尺寸]以及晶片的厚度和形狀決定.在較低的頻率下,必須對(duì)晶片進(jìn)行定形(輪廓或倒角)以提高性能.這將降低設(shè)備的C1.基本模式晶體的C1范圍約為0.005pF至0.030pF.通常,如果在泛音上使用基本設(shè)計(jì),則C1將除以泛音的平方.[第三諧波將是基本面的1/9]
R1:運(yùn)動(dòng)電阻是貼片晶振等效電路的電阻元件.該電阻表示晶體在自然諧振頻率[串聯(lián)諧振]下的等效阻抗.對(duì)于給定的晶體Q和串聯(lián)諧振頻率,運(yùn)動(dòng)電阻與晶體的有效面積成反比.有效面積與電極面積大致相同.因此,較小的晶體具有較高的R1.實(shí)際上,較小晶體的Q不如較大晶體的Q高.減小的Q也有助于提高R1.如果未將電路調(diào)整為適應(yīng)更高的R1,則可能導(dǎo)致振蕩器出現(xiàn)啟動(dòng)問(wèn)題.
C0:晶體的并聯(lián)電容部分歸因于晶片的厚度.這是在不振動(dòng)的情況下測(cè)得的電容.分流電容范圍為1-7pF.由于與振蕩器電路兼容,通常不超過(guò)7pF.
品質(zhì)因數(shù)[Q]:代表諧振曲線的清晰度的因數(shù).與其他諧振器類(lèi)型相比,石英具有很高的Q值,典型值范圍為10,000至100,000s.
頻率
頻率值通常以千赫茲[kHz]為單位,最高為999.999,以兆赫茲[MHz]為1.0以上.
公差與穩(wěn)定性
頻率值通常以千赫茲[kHz]為單位指定,最高為999.999,以兆赫茲[MHz]為單位.
1.在室溫下校準(zhǔn),或有時(shí)稱(chēng)為公差
2.在溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性
3.老化
室溫下的校準(zhǔn)是+25℃下電路中頻率的精度.典型公差范圍為±10ppm至±100ppm.通過(guò)改變電極的質(zhì)量,可以將晶體調(diào)諧到規(guī)定公差內(nèi)的所需頻率.較高的頻率對(duì)質(zhì)量變化更敏感,因此更難保持更嚴(yán)格的公差.存在在某些設(shè)計(jì)上滿足±5ppm精度的能力,但是在某些情況下,測(cè)量的可重復(fù)性成為問(wèn)題.對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)而言,只有在規(guī)定的精度超過(guò)±10ppm且對(duì)±5ppm的要求應(yīng)用了可觀的成本增加器之后,才產(chǎn)生高額成本.
高溫穩(wěn)定性取決于切割石英棒以生產(chǎn)晶片的角度.這與校準(zhǔn)無(wú)關(guān).選擇該角度可控制給定溫度范圍內(nèi)的頻率漂移.最受歡迎的頻率削減系列是“AT”削減.ATCut用于以+25℃為中心的非受控環(huán)境.
可以選擇三個(gè)不同的角度來(lái)優(yōu)化不同范圍內(nèi)的性能.較低的角度可用于-20℃~+70℃的溫度范圍,應(yīng)選擇較大的角度以適用于較寬的溫度范圍.在給定的溫度范圍內(nèi),在更嚴(yán)格的公差(較小的ppm偏移)范圍內(nèi)的性能受到曲線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分鐘,而測(cè)量精度則可以精確至0.1分鐘.與該過(guò)程有關(guān)的擴(kuò)散和為3分鐘以上的時(shí)間增加的成本增加了成本.曲線允許對(duì)溫度范圍的公差進(jìn)行理論限制.注意不要指定不可能的情況.
典型AT-Cut晶體的溫度曲線顯示在右側(cè).這通常被稱(chēng)為Bechmann曲線.石英水晶振子的老化是其頻率相對(duì)于時(shí)間的變化.
串聯(lián)或并聯(lián)
一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是應(yīng)為晶體指定什么相關(guān)性:串聯(lián)或并聯(lián)?如果是并聯(lián),應(yīng)指定什么負(fù)載電容?這些問(wèn)題可以通過(guò)分析晶體將使用哪種類(lèi)型的振蕩器電路來(lái)回答.晶體制造商必須知道此信息,才能將晶體正確調(diào)整到特定應(yīng)用所需的頻率.振蕩發(fā)生的頻率由該公式定義.
晶體的電抗曲線揭示了發(fā)生機(jī)械共振的位置.串聯(lián)諧振發(fā)生在曲線過(guò)零的點(diǎn).在這一點(diǎn)上,晶體似乎是一個(gè)被電容分流的簡(jiǎn)單電阻.通過(guò)在晶體上串聯(lián)或并聯(lián)增加電容[負(fù)載],會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振,從而導(dǎo)致正頻移.
如果指定的晶振相關(guān)性錯(cuò)誤,則該晶振仍將運(yùn)行,但會(huì)偏離所需頻率運(yùn)行.對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用,串聯(lián)和并聯(lián)之間的頻移約為±300ppm.
負(fù)載電容
如果指定了并聯(lián)諧振,但調(diào)出了錯(cuò)誤的負(fù)載電容,則將出現(xiàn)頻率誤差.對(duì)于公差要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用,正確指定此參數(shù)至關(guān)重要.對(duì)于大多數(shù)微處理器應(yīng)用,兩個(gè)負(fù)載電容器分別連接到晶體的每個(gè)引腳到地.為了計(jì)算合適的負(fù)載電容CL,您必須考慮晶體插入應(yīng)用時(shí)將看到的總電容CT.由于應(yīng)用板的原因,它將看到負(fù)載電容器以及任何其他雜散電容CS.用于計(jì)算總負(fù)載的公式定義為:
在上述示例中,根據(jù)選擇的CL1和CL2值,計(jì)算得出的負(fù)載電容為19pF或21.5pF.大多數(shù)晶體公司的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容為18pF或20pF,在這些示例中可以接受.可變電容器可以代替固定電容器之一,并且頻率可以被“微調(diào)”或少量調(diào)整至期望的頻率.修整范圍的量有時(shí)稱(chēng)為“可拉性”或“修整靈敏度”.如果這對(duì)您的電路很重要,則應(yīng)指定晶體的動(dòng)電容,以確保修整范圍的一致性.
可拉性
當(dāng)晶體以并聯(lián)諧振運(yùn)行時(shí),它在電路中看起來(lái)是電感性的.隨著電抗的改變,頻率相應(yīng)地改變,從而改變了晶體的可拉性.fs和fa之間的差異取決于晶體的C0/C1比.可以設(shè)計(jì)晶體的可拉伸性以滿足客戶(hù)的要求.但是,上拉功能隨封裝尺寸,電極尺寸,頻率,負(fù)載電容范圍和工作模式而變化.
雜散模式
石英晶體具有許多振動(dòng)模式,可以通過(guò)振蕩器輸入正確的頻率來(lái)激發(fā)它.可以調(diào)整晶片的設(shè)計(jì),電極圖案和金屬化量以抑制這些有害模式.這些不需要的模式稱(chēng)為偽模式.
如果響應(yīng)與主模式一樣強(qiáng),則雜散模式可能會(huì)成為問(wèn)題.發(fā)生這種情況時(shí),振蕩器可能會(huì)以雜散模式而不是主模式運(yùn)行.這稱(chēng)為模式跳躍.雜散模式應(yīng)指定為與主模式的電阻比或dB抑制.1.5或2到1的電阻比足以避免大多數(shù)石英晶體振蕩器的模式跳變.-3dB到-6dB大約等效于dB規(guī)格.
晶體的基本模式可以實(shí)現(xiàn)最佳的雜散抑制,而泛音響應(yīng)則更難控制.由于可拉性原因而需要較高C1值的設(shè)計(jì)也可能會(huì)犧牲雜散模式抑制.對(duì)于晶體濾波器設(shè)計(jì),基本模式/低C1設(shè)計(jì)可以滿足低至-40dB的雜散模式抑制.
雜散模式出現(xiàn)在主模式以下幾百千赫茲的范圍內(nèi),響應(yīng)可能如下圖所示.某些振蕩器設(shè)計(jì)有時(shí)需要指定抑制泛音響應(yīng).由于所有的泛音響應(yīng)都可以激發(fā)為振動(dòng),因此會(huì)發(fā)生從基頻到第三泛音的模式跳變.為了減少電路修改成本,也可能需要或希望使用振蕩器設(shè)計(jì).這些修改有時(shí)會(huì)影響其他參數(shù),因此明智的做法是與工廠聯(lián)系以討論設(shè)計(jì)選項(xiàng).
其他常用術(shù)語(yǔ)和概念
晶體的老化是頻率相對(duì)于時(shí)間的變化.該性能受兩個(gè)主要因素影響:污染和壓力.老化值范圍從第一年的小于±1ppm到第一年的高達(dá)±5ppm,并取決于頻率,設(shè)計(jì)和包裝樣式.自身附著在晶片表面的污染會(huì)由于質(zhì)量負(fù)載而導(dǎo)致負(fù)頻率偏移.制造過(guò)程的清潔度和晶體的清潔度可以改善老化性能.包裝的氣密性有助于在晶體使用壽命內(nèi)避免污染.封裝類(lèi)型和密封方法也可以改善老化性能.
在應(yīng)力隨時(shí)間的松弛過(guò)程中,對(duì)石英晶片的應(yīng)力效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致正向頻移.該應(yīng)力是由于安裝結(jié)構(gòu)扭曲,推動(dòng)或拉動(dòng)晶片而產(chǎn)生的.這可能發(fā)生在石英毛坯的處理,環(huán)氧樹(shù)脂安裝膠的固化,晶體安裝結(jié)構(gòu)以及設(shè)備中使用的金屬電極材料類(lèi)型的晶體的各種組件中.加熱和冷卻還由于不同的膨脹系數(shù)而引起應(yīng)力.隨著系統(tǒng)松弛,系統(tǒng)中的壓力通常會(huì)隨著時(shí)間而變化,這可能會(huì)導(dǎo)致頻率變化.為了幫助加速應(yīng)力的松弛,有時(shí)會(huì)使用熱循環(huán)來(lái)”鍛煉”安裝結(jié)構(gòu)并緩解應(yīng)力.
加速老化可以通過(guò)加速加熱來(lái)預(yù)測(cè)老化性能.將晶體放在高溫烤箱中會(huì)加速老化效果,因此可以在短短幾周內(nèi)看到一年的老化時(shí)間.晶體的時(shí)效曲線是對(duì)數(shù)的,因此在第一年中觀察到最差的時(shí)效.指定老化規(guī)范時(shí)的一個(gè)常見(jiàn)錯(cuò)誤是,假設(shè)第一年的±1ppm老化意味著±10ppm的十年.這不是真的.第一年±1ppm的老化將導(dǎo)致十年內(nèi)約±3ppm.
測(cè)量精度當(dāng)指定晶體的公差時(shí),測(cè)量精度可能是可制造性的問(wèn)題.使用”零相位”或無(wú)源測(cè)量技術(shù),精度可能達(dá)到百萬(wàn)分之幾.對(duì)于串聯(lián)諧振晶體,由于測(cè)量的可重復(fù)性,±5ppm的公差不被認(rèn)為是問(wèn)題.當(dāng)指定并聯(lián)諧振或負(fù)載測(cè)量時(shí),故障開(kāi)始.測(cè)量的最終精度取決于負(fù)載電容的精度.并聯(lián)諧振測(cè)量中使用的負(fù)載電容器的精度由下面的調(diào)整靈敏度公式表示.如果負(fù)載電容變小,則DeltaF/pF將變大.另外,如果運(yùn)動(dòng)電容變大,則ΔF/pF變大.
例如:
100MHz基本
C1為0.020pF
C0為4.5pF
對(duì)于10pF的負(fù)載電容,調(diào)整靈敏度將為48ppm/pF.
如果負(fù)載電容的精度為0.5pF,則測(cè)量精度為24ppm.另一方面,如果負(fù)載為20pF,則修整靈敏度為16ppm/pF,并且在相同負(fù)載精度下,測(cè)量精度為8ppm.這些僅是說(shuō)明指定低負(fù)載電容的影響的示例.
驅(qū)動(dòng)電平是晶體中耗散的RMS功率量,通常以毫瓦[mW]或微瓦[µW]表示.最大驅(qū)動(dòng)電平是晶體可以安全消散并仍在規(guī)定的電氣參數(shù)范圍內(nèi)保持功能的最大功率.過(guò)多的驅(qū)動(dòng)器電平會(huì)導(dǎo)致頻率意外變化[加速老化],從而導(dǎo)致等效串聯(lián)電阻增加.如果發(fā)生對(duì)晶體安裝結(jié)構(gòu)的損壞,這些變化可能是永久性的,如果諧振器損壞,這些變化將是災(zāi)難性的.
晶體的測(cè)量還需要指定驅(qū)動(dòng)電平.為了獲得更高的精度,首選較低的驅(qū)動(dòng)級(jí)別.驅(qū)動(dòng)級(jí)別通常在10uW至2mW之間.具有較大石英晶片的低頻設(shè)備可以處理更高的驅(qū)動(dòng)電平而不會(huì)造成損壞.更高的驅(qū)動(dòng)電平(高于5mW)可能會(huì)損壞較小的高頻設(shè)備.當(dāng)今的應(yīng)用很少能驅(qū)動(dòng)高于2mW的晶體,典型的最大功率為100uW.
如果客戶(hù)未定義,CTS將指定100uW的標(biāo)準(zhǔn)最大驅(qū)動(dòng)器級(jí)別.由于在振蕩電路工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電平指示晶體單元的功耗,因此將晶體保持在驅(qū)動(dòng)電平規(guī)格之內(nèi)非常重要.
驅(qū)動(dòng)電平相關(guān)性[DLD]或驅(qū)動(dòng)電平靈敏度[DLS]描述了一種現(xiàn)象,即由于石英固有的微小材料非線性,所有諧振器都取決于某個(gè)驅(qū)動(dòng)電平.DLD是可以防止晶振開(kāi)始振蕩的原因之一.在低驅(qū)動(dòng)水平下,某些石英諧振器的串聯(lián)電阻可能會(huì)大幅增加,從而阻止了它們開(kāi)始振蕩.一些工程師將它們描述為“睡眠晶體”.該電路有時(shí)會(huì)啟動(dòng),而不會(huì)在其他時(shí)間啟動(dòng),但可以通過(guò)觸摸示波器探頭,手指或更多驅(qū)動(dòng)器來(lái)激發(fā).實(shí)施DLD測(cè)試可以確保ESR和頻率的變化在最大范圍內(nèi),從而確保了初始電源啟動(dòng).
環(huán)境在晶體規(guī)格中,電氣性能規(guī)格將確定其是否可以正常運(yùn)行,但是環(huán)境規(guī)格可確保晶體的可靠性.重要的是要認(rèn)識(shí)到應(yīng)用環(huán)境并適當(dāng)?shù)刂付ㄒ?MIL-STD-202定義了適用于晶體的環(huán)境測(cè)試:
•機(jī)械沖擊
•振動(dòng)
•耐腐蝕性能
-濕度
-鹽霧
-濕氣
•熱沖擊
•氣質(zhì)
•可焊性
機(jī)械沖擊測(cè)試決定了跌落時(shí)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度.軍方使用的標(biāo)準(zhǔn)基線規(guī)格是100克.如果應(yīng)用程序環(huán)境良好,并且在組裝過(guò)程中使用了適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?則此規(guī)格已足夠.但是在很多情況下,零件在組裝過(guò)程中會(huì)意外掉落,我們希望晶體仍能正常工作.從桌面高度掉落水晶可能會(huì)導(dǎo)致超過(guò)1,000克的重量.CTS設(shè)計(jì)范圍從500克到10,000克以上.持續(xù)時(shí)間[時(shí)間]通常伴隨著g電平來(lái)表征脈沖.低沖擊水平下的持續(xù)時(shí)間可能很長(zhǎng)[20ms].較高的震動(dòng)等級(jí)[5,000g’s]會(huì)縮短持續(xù)時(shí)間[1/4ms].一些設(shè)計(jì)是專(zhuān)門(mén)的,有時(shí)會(huì)影響電氣性能.請(qǐng)聯(lián)系CTS以獲得有關(guān)特定晶體設(shè)計(jì)性能的信息.另外,CTS可以建議適當(dāng)?shù)奶幚沓绦?以避免損壞晶體.
振動(dòng)測(cè)試晶體在振動(dòng)條件下的功能.如果冷卻風(fēng)扇在機(jī)架中運(yùn)轉(zhuǎn),則它可能會(huì)振動(dòng),從而導(dǎo)致晶體振動(dòng).如果引擎靠近水晶,會(huì)感覺(jué)到震動(dòng).振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致石英晶片破裂或破裂,從而損壞晶體.為了通過(guò)更嚴(yán)格的振動(dòng)要求,需要對(duì)內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì).軍事基準(zhǔn)振動(dòng)規(guī)范為10g,適用于10到500Hz.晶體的更嚴(yán)格的規(guī)范是在更高的頻率(高達(dá)200Hz)和/或更高的g水平.同樣重要的是,應(yīng)將晶體安裝在印刷電路板上,以減少晶體和電路板的Q形.Q-ing是當(dāng)振動(dòng)由于與板或晶體的自然共振而放大時(shí).發(fā)生這種情況時(shí),g含量會(huì)顯著升高,通常會(huì)損壞晶體.
耐腐蝕性是晶體抗銹的能力.鹽霧測(cè)試表明,金屬或陶瓷包裝不會(huì)生銹,并且包裝不會(huì)隨時(shí)間而破裂.如果金屬部分未正確電鍍,則用于制造的水洗系統(tǒng)可能會(huì)使包裝生銹.對(duì)于電阻焊應(yīng)用,CTS使用鎳合金蓋或鍍鎳的KOVAR蓋以確保CTS零件不會(huì)生銹.
濕度和濕度測(cè)試不僅可以測(cè)試防銹性能,還可以測(cè)試密封包裝的滲透性.如果水分進(jìn)入包裝內(nèi),將導(dǎo)致性能不佳或無(wú)輸出.為了在晶體中具有出色的長(zhǎng)期性能,必須具有良好的干燥氣氛.
熱沖擊是一種在溫度快速變化的情況下測(cè)試封裝和石英晶片兼容性的方法.如果不兼容,晶體的性能將急劇變化或封裝可能泄漏.通常,在熱沖擊后執(zhí)行泄漏測(cè)試.對(duì)于晶體,標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試是在空對(duì)空環(huán)境中進(jìn)行的,溫度范圍從-65℃到+125℃.液對(duì)液測(cè)試通常不用于晶體.
密封測(cè)試確定包裝中是否存在泄漏.通常指定兩種測(cè)試:總泄漏和細(xì)泄漏.大多數(shù)晶體包裝都應(yīng)同時(shí)通過(guò).總泄漏測(cè)試涉及通過(guò)將晶體浸入液體室內(nèi)來(lái)進(jìn)行某種類(lèi)型的氣泡檢查.精細(xì)泄漏測(cè)試系統(tǒng)使用氦氣作為示蹤氣體和氦氣檢測(cè)器.可以檢測(cè)到低至1x10-9cc/sec的電平.大多數(shù)晶體規(guī)格為1x10-8cc/sec.良好的氣密性將確保在晶體的整個(gè)使用壽命內(nèi)具有良好的老化效果.
可焊性測(cè)試確定焊料對(duì)晶體諧振器的引線或附著墊的潤(rùn)濕性.在使用弱助焊劑或不使用清潔工藝的大批量生產(chǎn)中,必須具有良好的可焊性,以減少對(duì)電路板清洗的需求.蒸汽老化是一種測(cè)試方法,用于驗(yàn)證隨著時(shí)間的推移實(shí)現(xiàn)了良好的可焊性.在可焊性測(cè)試之前用蒸汽對(duì)引線進(jìn)行預(yù)處理,可以幫助延長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的保質(zhì)期.這對(duì)您的應(yīng)用程序可能很重要.如果您在收到晶體后迅速使用晶體,則可能不需要進(jìn)行蒸汽測(cè)試.通過(guò)指定MIL-STD-202方法208,將需要進(jìn)行蒸汽預(yù)處理.在您的晶體上要求進(jìn)行此測(cè)試可能會(huì)稍微影響價(jià)格,因此,在指定蒸汽預(yù)處理之前,考慮您的應(yīng)用可能是您的優(yōu)勢(shì).
詞匯表:
活性下降
一種不需要的晶體特性,表現(xiàn)為晶體電阻和共振頻率的突然變化,隨后同樣突然地恢復(fù)到先前的值.活性下降受晶體驅(qū)動(dòng)電平和負(fù)載電容的影響很大.
老化
由于石英晶體諧振器內(nèi)部變化引起的頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)變化.老化通常表示為每年百萬(wàn)分之幾的最大值[ppm/年].老化的速度本質(zhì)上是對(duì)數(shù)的.以下因素影響晶體老化:諧振器表面污染物的吸附和解吸、安裝和粘合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力消除、材料除氣和密封完整性.
角度
相對(duì)于主晶軸,諧振器毛坯從石英材料上切割下來(lái)的角度[以度、分和秒為單位].切割角度是控制石英晶體單元頻率與溫度性能的主要因素.
AT切割晶體單元
特定類(lèi)型石英晶體切割的分類(lèi).AT切割是當(dāng)今最受歡迎的切割類(lèi)型,適用于兆赫范圍內(nèi)的晶體單元.AT切割被分類(lèi)為厚切變體聲波[BAW]晶體單元,具有立方頻率-溫度曲線,拐點(diǎn)接近室溫.它因其出色的溫度頻率特性而廣受歡迎.
基地
底座通常被稱(chēng)為支架或頂蓋,是石英晶體單元封裝的子組件.
空白的
一種半加工石英諧振器,通常沒(méi)有電極鍍層及其支架或底座.
BT切割晶體單元
特定類(lèi)型石英晶體切割的分類(lèi).BT切割以與at切割近似相反的角度進(jìn)行加工,并被分類(lèi)為厚度剪切晶體單元,具有拋物線頻率-溫度曲線,其拐點(diǎn)接近室溫.因此,在給定的工作溫度范圍內(nèi),BT切割晶體將比AT切割晶體表現(xiàn)出更大的頻移.
電容率
晶體分流電容[C0]除以晶體運(yùn)動(dòng)電容[C1].并聯(lián)負(fù)載諧振頻率變化的指示器,是晶體負(fù)載電容給定變化的直接結(jié)果.在VCXO晶振應(yīng)用中,頻率調(diào)制需要晶體并聯(lián)諧振頻率的變化,可以指定電容比,符號(hào)”r”.當(dāng)在物理石英晶體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí),該比值有局限性.
陶瓷封裝
這種封裝通常被稱(chēng)為集管或無(wú)引腳芯片載體(LCC),是一種表面貼裝晶體封裝,以陶瓷為主要封裝材料.這種封裝與金屬蓋或蓋集成在一起,為石英晶體提供了一個(gè)密封的密封外殼.
晶體切片
相對(duì)于石英棒的晶軸切割晶體空白板.晶體切割的類(lèi)型影響晶體的老化頻率穩(wěn)定性和其他參數(shù).
晶體等效電路
晶體器件由鍍有金屬[電極]的石英諧振器毛坯組成.該鍍層位于晶體的兩側(cè),并與晶體封裝上的絕緣引線相連.該器件在兩個(gè)晶體電極之間表現(xiàn)出壓電響應(yīng),用晶體等效電路表示,該等效電路由以下元件組成:運(yùn)動(dòng)電容[C1]、運(yùn)動(dòng)電感[L1]、運(yùn)動(dòng)電阻[R1]和分流電容[C0].
晶體振蕩器
一種計(jì)時(shí)裝置,由石英晶體諧振器和振蕩器維持電路(通常為時(shí)鐘集成電路)組成,集成在單個(gè)封裝中,以特定的參考頻率提供輸出波形.該術(shù)語(yǔ)通?？s寫(xiě)為XO或SPXO[簡(jiǎn)單封裝晶體振蕩器].
晶體單元
一種計(jì)時(shí)裝置,由石英晶體諧振器及其相關(guān)組件組成.
驅(qū)動(dòng)電平
石英晶體的驅(qū)動(dòng)或激勵(lì)電流的函數(shù).驅(qū)動(dòng)電平是指晶體中的功耗,以微瓦或毫瓦表示.最大驅(qū)動(dòng)功率是器件在保證所有電氣參數(shù)的情況下仍能保持運(yùn)行的最大功耗.驅(qū)動(dòng)水平應(yīng)保持在啟動(dòng)正確啟動(dòng)和確保穩(wěn)態(tài)振蕩所需的最低水平.過(guò)高的驅(qū)動(dòng)電平會(huì)導(dǎo)致老化特性變差,并可能對(duì)晶體造成永久性損壞.
等效串聯(lián)電阻
晶體器件的電阻元件[R1],單位為歐姆.在晶體的串聯(lián)諧振頻率下,運(yùn)動(dòng)電感[L1]和運(yùn)動(dòng)電容[C1]的歐姆值相等,但相位正好相反.最終結(jié)果是它們相互抵消,在等效電路的串聯(lián)支路中只剩下一個(gè)電阻.電子自旋共振測(cè)量?jī)H在串聯(lián)諧振頻率[fS]下進(jìn)行,而不是在某個(gè)預(yù)定的并聯(lián)諧振頻率[fL]下進(jìn)行.
彎曲振動(dòng)
音叉晶體諧振器的一種振動(dòng)模式,其中振動(dòng)板的彎曲運(yùn)動(dòng)用作振動(dòng)源.這種類(lèi)型的振動(dòng)適用于低頻[千赫]晶體器件.
頻率
以赫茲[赫茲]計(jì)量,它是一個(gè)事件在一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)的周期性重復(fù).在電路中,它是指諧振片在一秒鐘內(nèi)振蕩或振動(dòng)的次數(shù).
頻率穩(wěn)定度
工作溫度范圍內(nèi)與環(huán)境溫度頻率的頻率偏差量.該術(shù)語(yǔ)表示為最小和最大百分比[%]或百萬(wàn)分之幾[ppm],由以下主要因素決定:石英切割的類(lèi)型和石英切割的角度.一些次要因素包括:工作模式、負(fù)載電容和驅(qū)動(dòng)電平.
頻率公差
通常稱(chēng)為校準(zhǔn)精度,它是指室溫[+25℃]下與規(guī)定的額定頻率的頻率偏差量.該術(shù)語(yǔ)表示為最小和最大百分比[%]或百萬(wàn)分之幾[ppm].
基本形式
共振板振動(dòng)的第一階和最低階頻率由共振板的物理尺寸決定.
赫茲[赫茲]
頻率的基本測(cè)量單位.它是用來(lái)表示一個(gè)事件在一秒鐘內(nèi)一次完全發(fā)生的度量.晶體的頻率以兆赫或千赫為單位.
絕緣電阻
以最小值表示的晶體引線之間以及晶體引線和基極之間的電阻.
負(fù)載電容
呈現(xiàn)給晶體的電容,單位為皮法.并聯(lián)負(fù)載諧振頻率[fL]是負(fù)載電容的函數(shù).
運(yùn)行方式
石英晶體被設(shè)計(jì)成根據(jù)其基本模式或其泛音之一振動(dòng).對(duì)于AT切割石英晶體,泛音模式為奇次諧波.石英器件的工作模式是決定振蕩頻率的因素之一.
運(yùn)動(dòng)電容
晶體單元中的等效靜電電容分量.晶體的運(yùn)動(dòng)電容[C1]和運(yùn)動(dòng)電感[L1]以串聯(lián)諧振頻率[fS]諧振.當(dāng)C1在石英晶體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí),它的實(shí)際價(jià)值有物理限制.這些限制包括操作模式、晶體切割、機(jī)械設(shè)計(jì)和標(biāo)稱(chēng)頻率.
運(yùn)動(dòng)電感
晶體單元中的等效電感元件.晶體的運(yùn)動(dòng)電感[L1]和運(yùn)動(dòng)電容[C1]以串聯(lián)諧振頻率[fS]諧振.當(dāng)L1在石英晶體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí),它的實(shí)際價(jià)值有物理限制.這些限制包括操作模式、晶體切割、機(jī)械設(shè)計(jì)和標(biāo)稱(chēng)頻率.
標(biāo)稱(chēng)頻率
晶體的特定參考頻率或中心頻率,通常以兆赫[兆赫]或千赫[千赫]表示.貼片石英晶振設(shè)計(jì)和制造所需的頻率.
工作溫度范圍
設(shè)備在振蕩過(guò)程中可能暴露的最低和最高溫度.在此溫度范圍內(nèi),所有設(shè)備指定的操作參數(shù)都得到保證.
泛音模式
基本振動(dòng)階的奇數(shù)倍數(shù).
包裹
用于容納石英晶體毛坯的支架或集管.該封裝有利于毛坯安裝,并保持惰性氣氛,以保持內(nèi)部晶體的振動(dòng)性能.包裝包括金屬或陶瓷等材料,分為通孔或表面貼裝.
拋物線溫度曲線
頻率與溫度的關(guān)系曲線,顯示溫度高于或低于周轉(zhuǎn)溫度時(shí)頻率降低.
超詳細(xì)業(yè)內(nèi)資料一篇文帶你全方位了解什么是石英晶體
以石英,水晶為原材料的石英晶體和石英晶體振蕩器已擁有很長(zhǎng)一段歷史了,按時(shí)間算已經(jīng)有100多年,只不過(guò)在20世紀(jì)40年代才開(kāi)始真正的發(fā)展起來(lái),并且非常迅速,至今石英晶振已經(jīng)成為各種電子,電氣,智能產(chǎn)品重要的,關(guān)鍵的電子元器件.雖然已經(jīng)很常用了,但如果不是專(zhuān)業(yè)人士,一般群眾對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)少之又少,金洛鑫電子整理的這些資料,可以帶廣大新老客戶(hù)全方位的了解什么是晶體晶振,看完之后至少會(huì)有基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí),如有疑問(wèn),歡迎在評(píng)論區(qū)留言!
背景歷史
雅克和皮埃爾·居里于1880年發(fā)現(xiàn)了石英的壓電特性.第一個(gè)石英晶體振蕩器是由沃爾特·卡迪在1921年制造的.1923年,英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的戴伊和貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的沃倫·馬里奧森用石英振蕩器產(chǎn)生了一系列精確的時(shí)間信號(hào).
壓電效應(yīng)
石英板在受到電荷時(shí)顯示出機(jī)械運(yùn)動(dòng)或應(yīng)變,相反,當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力時(shí),它們顯示出面之間的電位差.電應(yīng)力和機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的這種關(guān)系被稱(chēng)為壓電效應(yīng).壓電諧振器有四種基本的機(jī)械振動(dòng)模式.
1.彎曲模式
2.剪切模式
3.縱模
4.扭轉(zhuǎn)模式
AT切割水晶
最常見(jiàn)的晶體設(shè)計(jì)之一是AT切割晶體,它將是貫穿本應(yīng)用筆記的參考晶體類(lèi)型.對(duì)于1兆赫以上的頻率,通常只使用厚度剪切振動(dòng)模式.AT切割晶體的頻率由晶體的厚度決定,即晶體越薄,頻率越高.諧振器的振動(dòng)質(zhì)量相當(dāng)于一系列運(yùn)動(dòng)電感,L1.晶體的機(jī)械損耗表現(xiàn)為等效串聯(lián)電阻R1,而晶體的機(jī)械彈性相當(dāng)于串聯(lián)電容C1.C0是與保持器和電極電容相關(guān)聯(lián)的并聯(lián)電容.AT切割晶體具有良好的穩(wěn)定性和溫度特性,這是它們受歡迎的原因之一.
除非另有說(shuō)明,否則ATCut晶體將以基本模式運(yùn)行.但是,任何AT晶振都可能以基頻的泛音或奇數(shù)倍數(shù)工作.這意味著10MHz的基本晶體將在10MHz,30MHz[第三次泛音],50MHz[第五次泛音]等條件下工作.使用泛音[奇次諧波]可使高頻工作,同時(shí)保持較厚的石英晶片.
石英晶體的等效電路如下所示.可以指定每個(gè)組件來(lái)幫助表征設(shè)備的獨(dú)特屬性.在定義石英晶體的規(guī)格時(shí),應(yīng)檢查等效電路的各個(gè)參數(shù).對(duì)于所有設(shè)計(jì),每種類(lèi)型的晶體設(shè)計(jì)都有限制.
L1:晶體的運(yùn)動(dòng)電感取決于運(yùn)動(dòng)中石英的機(jī)械質(zhì)量.較低的頻率(較厚和較大的石英晶片)趨向于運(yùn)行幾亨,而較高的頻率(較薄和較小的石英晶片)趨向于運(yùn)行幾毫亨.L1和C1之間的關(guān)系由以下公式定義.最好讓客戶(hù)指定C1[必要時(shí)],然后可以計(jì)算L1.
C1:動(dòng)電容由石英的剛度[常數(shù)],晶體表面的金屬化面積[電極尺寸]以及晶片的厚度和形狀決定.在較低的頻率下,必須對(duì)晶片進(jìn)行定形(輪廓或倒角)以提高性能.這將降低設(shè)備的C1.基本模式晶體的C1范圍約為0.005pF至0.030pF.通常,如果在泛音上使用基本設(shè)計(jì),則C1將除以泛音的平方.[第三諧波將是基本面的1/9]
R1:運(yùn)動(dòng)電阻是貼片晶振等效電路的電阻元件.該電阻表示晶體在自然諧振頻率[串聯(lián)諧振]下的等效阻抗.對(duì)于給定的晶體Q和串聯(lián)諧振頻率,運(yùn)動(dòng)電阻與晶體的有效面積成反比.有效面積與電極面積大致相同.因此,較小的晶體具有較高的R1.實(shí)際上,較小晶體的Q不如較大晶體的Q高.減小的Q也有助于提高R1.如果未將電路調(diào)整為適應(yīng)更高的R1,則可能導(dǎo)致振蕩器出現(xiàn)啟動(dòng)問(wèn)題.
C0:晶體的并聯(lián)電容部分歸因于晶片的厚度.這是在不振動(dòng)的情況下測(cè)得的電容.分流電容范圍為1-7pF.由于與振蕩器電路兼容,通常不超過(guò)7pF.
品質(zhì)因數(shù)[Q]:代表諧振曲線的清晰度的因數(shù).與其他諧振器類(lèi)型相比,石英具有很高的Q值,典型值范圍為10,000至100,000s.
頻率
頻率值通常以千赫茲[kHz]為單位,最高為999.999,以兆赫茲[MHz]為1.0以上.
公差與穩(wěn)定性
頻率值通常以千赫茲[kHz]為單位指定,最高為999.999,以兆赫茲[MHz]為單位.
1.在室溫下校準(zhǔn),或有時(shí)稱(chēng)為公差
2.在溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性
3.老化
室溫下的校準(zhǔn)是+25℃下電路中頻率的精度.典型公差范圍為±10ppm至±100ppm.通過(guò)改變電極的質(zhì)量,可以將晶體調(diào)諧到規(guī)定公差內(nèi)的所需頻率.較高的頻率對(duì)質(zhì)量變化更敏感,因此更難保持更嚴(yán)格的公差.存在在某些設(shè)計(jì)上滿足±5ppm精度的能力,但是在某些情況下,測(cè)量的可重復(fù)性成為問(wèn)題.對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)而言,只有在規(guī)定的精度超過(guò)±10ppm且對(duì)±5ppm的要求應(yīng)用了可觀的成本增加器之后,才產(chǎn)生高額成本.
高溫穩(wěn)定性取決于切割石英棒以生產(chǎn)晶片的角度.這與校準(zhǔn)無(wú)關(guān).選擇該角度可控制給定溫度范圍內(nèi)的頻率漂移.最受歡迎的頻率削減系列是“AT”削減.ATCut用于以+25℃為中心的非受控環(huán)境.
可以選擇三個(gè)不同的角度來(lái)優(yōu)化不同范圍內(nèi)的性能.較低的角度可用于-20℃~+70℃的溫度范圍,應(yīng)選擇較大的角度以適用于較寬的溫度范圍.在給定的溫度范圍內(nèi),在更嚴(yán)格的公差(較小的ppm偏移)范圍內(nèi)的性能受到曲線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分鐘,而測(cè)量精度則可以精確至0.1分鐘.與該過(guò)程有關(guān)的擴(kuò)散和為3分鐘以上的時(shí)間增加的成本增加了成本.曲線允許對(duì)溫度范圍的公差進(jìn)行理論限制.注意不要指定不可能的情況.
典型AT-Cut晶體的溫度曲線顯示在右側(cè).這通常被稱(chēng)為Bechmann曲線.石英水晶振子的老化是其頻率相對(duì)于時(shí)間的變化.
一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是應(yīng)為晶體指定什么相關(guān)性:串聯(lián)或并聯(lián)?如果是并聯(lián),應(yīng)指定什么負(fù)載電容?這些問(wèn)題可以通過(guò)分析晶體將使用哪種類(lèi)型的振蕩器電路來(lái)回答.晶體制造商必須知道此信息,才能將晶體正確調(diào)整到特定應(yīng)用所需的頻率.振蕩發(fā)生的頻率由該公式定義.
晶體的電抗曲線揭示了發(fā)生機(jī)械共振的位置.串聯(lián)諧振發(fā)生在曲線過(guò)零的點(diǎn).在這一點(diǎn)上,晶體似乎是一個(gè)被電容分流的簡(jiǎn)單電阻.通過(guò)在晶體上串聯(lián)或并聯(lián)增加電容[負(fù)載],會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振,從而導(dǎo)致正頻移.
負(fù)載電容
如果指定了并聯(lián)諧振,但調(diào)出了錯(cuò)誤的負(fù)載電容,則將出現(xiàn)頻率誤差.對(duì)于公差要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用,正確指定此參數(shù)至關(guān)重要.對(duì)于大多數(shù)微處理器應(yīng)用,兩個(gè)負(fù)載電容器分別連接到晶體的每個(gè)引腳到地.為了計(jì)算合適的負(fù)載電容CL,您必須考慮晶體插入應(yīng)用時(shí)將看到的總電容CT.由于應(yīng)用板的原因,它將看到負(fù)載電容器以及任何其他雜散電容CS.用于計(jì)算總負(fù)載的公式定義為:
可拉性
當(dāng)晶體以并聯(lián)諧振運(yùn)行時(shí),它在電路中看起來(lái)是電感性的.隨著電抗的改變,頻率相應(yīng)地改變,從而改變了晶體的可拉性.fs和fa之間的差異取決于晶體的C0/C1比.可以設(shè)計(jì)晶體的可拉伸性以滿足客戶(hù)的要求.但是,上拉功能隨封裝尺寸,電極尺寸,頻率,負(fù)載電容范圍和工作模式而變化.
石英晶體具有許多振動(dòng)模式,可以通過(guò)振蕩器輸入正確的頻率來(lái)激發(fā)它.可以調(diào)整晶片的設(shè)計(jì),電極圖案和金屬化量以抑制這些有害模式.這些不需要的模式稱(chēng)為偽模式.
如果響應(yīng)與主模式一樣強(qiáng),則雜散模式可能會(huì)成為問(wèn)題.發(fā)生這種情況時(shí),振蕩器可能會(huì)以雜散模式而不是主模式運(yùn)行.這稱(chēng)為模式跳躍.雜散模式應(yīng)指定為與主模式的電阻比或dB抑制.1.5或2到1的電阻比足以避免大多數(shù)石英晶體振蕩器的模式跳變.-3dB到-6dB大約等效于dB規(guī)格.
晶體的基本模式可以實(shí)現(xiàn)最佳的雜散抑制,而泛音響應(yīng)則更難控制.由于可拉性原因而需要較高C1值的設(shè)計(jì)也可能會(huì)犧牲雜散模式抑制.對(duì)于晶體濾波器設(shè)計(jì),基本模式/低C1設(shè)計(jì)可以滿足低至-40dB的雜散模式抑制.
雜散模式出現(xiàn)在主模式以下幾百千赫茲的范圍內(nèi),響應(yīng)可能如下圖所示.某些振蕩器設(shè)計(jì)有時(shí)需要指定抑制泛音響應(yīng).由于所有的泛音響應(yīng)都可以激發(fā)為振動(dòng),因此會(huì)發(fā)生從基頻到第三泛音的模式跳變.為了減少電路修改成本,也可能需要或希望使用振蕩器設(shè)計(jì).這些修改有時(shí)會(huì)影響其他參數(shù),因此明智的做法是與工廠聯(lián)系以討論設(shè)計(jì)選項(xiàng).
晶體的老化是頻率相對(duì)于時(shí)間的變化.該性能受兩個(gè)主要因素影響:污染和壓力.老化值范圍從第一年的小于±1ppm到第一年的高達(dá)±5ppm,并取決于頻率,設(shè)計(jì)和包裝樣式.自身附著在晶片表面的污染會(huì)由于質(zhì)量負(fù)載而導(dǎo)致負(fù)頻率偏移.制造過(guò)程的清潔度和晶體的清潔度可以改善老化性能.包裝的氣密性有助于在晶體使用壽命內(nèi)避免污染.封裝類(lèi)型和密封方法也可以改善老化性能.
在應(yīng)力隨時(shí)間的松弛過(guò)程中,對(duì)石英晶片的應(yīng)力效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致正向頻移.該應(yīng)力是由于安裝結(jié)構(gòu)扭曲,推動(dòng)或拉動(dòng)晶片而產(chǎn)生的.這可能發(fā)生在石英毛坯的處理,環(huán)氧樹(shù)脂安裝膠的固化,晶體安裝結(jié)構(gòu)以及設(shè)備中使用的金屬電極材料類(lèi)型的晶體的各種組件中.加熱和冷卻還由于不同的膨脹系數(shù)而引起應(yīng)力.隨著系統(tǒng)松弛,系統(tǒng)中的壓力通常會(huì)隨著時(shí)間而變化,這可能會(huì)導(dǎo)致頻率變化.為了幫助加速應(yīng)力的松弛,有時(shí)會(huì)使用熱循環(huán)來(lái)”鍛煉”安裝結(jié)構(gòu)并緩解應(yīng)力.
加速老化可以通過(guò)加速加熱來(lái)預(yù)測(cè)老化性能.將晶體放在高溫烤箱中會(huì)加速老化效果,因此可以在短短幾周內(nèi)看到一年的老化時(shí)間.晶體的時(shí)效曲線是對(duì)數(shù)的,因此在第一年中觀察到最差的時(shí)效.指定老化規(guī)范時(shí)的一個(gè)常見(jiàn)錯(cuò)誤是,假設(shè)第一年的±1ppm老化意味著±10ppm的十年.這不是真的.第一年±1ppm的老化將導(dǎo)致十年內(nèi)約±3ppm.
測(cè)量精度當(dāng)指定晶體的公差時(shí),測(cè)量精度可能是可制造性的問(wèn)題.使用”零相位”或無(wú)源測(cè)量技術(shù),精度可能達(dá)到百萬(wàn)分之幾.對(duì)于串聯(lián)諧振晶體,由于測(cè)量的可重復(fù)性,±5ppm的公差不被認(rèn)為是問(wèn)題.當(dāng)指定并聯(lián)諧振或負(fù)載測(cè)量時(shí),故障開(kāi)始.測(cè)量的最終精度取決于負(fù)載電容的精度.并聯(lián)諧振測(cè)量中使用的負(fù)載電容器的精度由下面的調(diào)整靈敏度公式表示.如果負(fù)載電容變小,則DeltaF/pF將變大.另外,如果運(yùn)動(dòng)電容變大,則ΔF/pF變大.
例如:
100MHz基本
C1為0.020pF
C0為4.5pF
對(duì)于10pF的負(fù)載電容,調(diào)整靈敏度將為48ppm/pF.
如果負(fù)載電容的精度為0.5pF,則測(cè)量精度為24ppm.另一方面,如果負(fù)載為20pF,則修整靈敏度為16ppm/pF,并且在相同負(fù)載精度下,測(cè)量精度為8ppm.這些僅是說(shuō)明指定低負(fù)載電容的影響的示例.
驅(qū)動(dòng)電平是晶體中耗散的RMS功率量,通常以毫瓦[mW]或微瓦[µW]表示.最大驅(qū)動(dòng)電平是晶體可以安全消散并仍在規(guī)定的電氣參數(shù)范圍內(nèi)保持功能的最大功率.過(guò)多的驅(qū)動(dòng)器電平會(huì)導(dǎo)致頻率意外變化[加速老化],從而導(dǎo)致等效串聯(lián)電阻增加.如果發(fā)生對(duì)晶體安裝結(jié)構(gòu)的損壞,這些變化可能是永久性的,如果諧振器損壞,這些變化將是災(zāi)難性的.
晶體的測(cè)量還需要指定驅(qū)動(dòng)電平.為了獲得更高的精度,首選較低的驅(qū)動(dòng)級(jí)別.驅(qū)動(dòng)級(jí)別通常在10uW至2mW之間.具有較大石英晶片的低頻設(shè)備可以處理更高的驅(qū)動(dòng)電平而不會(huì)造成損壞.更高的驅(qū)動(dòng)電平(高于5mW)可能會(huì)損壞較小的高頻設(shè)備.當(dāng)今的應(yīng)用很少能驅(qū)動(dòng)高于2mW的晶體,典型的最大功率為100uW.
如果客戶(hù)未定義,CTS將指定100uW的標(biāo)準(zhǔn)最大驅(qū)動(dòng)器級(jí)別.由于在振蕩電路工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電平指示晶體單元的功耗,因此將晶體保持在驅(qū)動(dòng)電平規(guī)格之內(nèi)非常重要.
驅(qū)動(dòng)電平相關(guān)性[DLD]或驅(qū)動(dòng)電平靈敏度[DLS]描述了一種現(xiàn)象,即由于石英固有的微小材料非線性,所有諧振器都取決于某個(gè)驅(qū)動(dòng)電平.DLD是可以防止晶振開(kāi)始振蕩的原因之一.在低驅(qū)動(dòng)水平下,某些石英諧振器的串聯(lián)電阻可能會(huì)大幅增加,從而阻止了它們開(kāi)始振蕩.一些工程師將它們描述為“睡眠晶體”.該電路有時(shí)會(huì)啟動(dòng),而不會(huì)在其他時(shí)間啟動(dòng),但可以通過(guò)觸摸示波器探頭,手指或更多驅(qū)動(dòng)器來(lái)激發(fā).實(shí)施DLD測(cè)試可以確保ESR和頻率的變化在最大范圍內(nèi),從而確保了初始電源啟動(dòng).
環(huán)境在晶體規(guī)格中,電氣性能規(guī)格將確定其是否可以正常運(yùn)行,但是環(huán)境規(guī)格可確保晶體的可靠性.重要的是要認(rèn)識(shí)到應(yīng)用環(huán)境并適當(dāng)?shù)刂付ㄒ?MIL-STD-202定義了適用于晶體的環(huán)境測(cè)試:
•機(jī)械沖擊
•振動(dòng)
•耐腐蝕性能
-濕度
-鹽霧
-濕氣
•熱沖擊
•氣質(zhì)
•可焊性
機(jī)械沖擊測(cè)試決定了跌落時(shí)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度.軍方使用的標(biāo)準(zhǔn)基線規(guī)格是100克.如果應(yīng)用程序環(huán)境良好,并且在組裝過(guò)程中使用了適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?則此規(guī)格已足夠.但是在很多情況下,零件在組裝過(guò)程中會(huì)意外掉落,我們希望晶體仍能正常工作.從桌面高度掉落水晶可能會(huì)導(dǎo)致超過(guò)1,000克的重量.CTS設(shè)計(jì)范圍從500克到10,000克以上.持續(xù)時(shí)間[時(shí)間]通常伴隨著g電平來(lái)表征脈沖.低沖擊水平下的持續(xù)時(shí)間可能很長(zhǎng)[20ms].較高的震動(dòng)等級(jí)[5,000g’s]會(huì)縮短持續(xù)時(shí)間[1/4ms].一些設(shè)計(jì)是專(zhuān)門(mén)的,有時(shí)會(huì)影響電氣性能.請(qǐng)聯(lián)系CTS以獲得有關(guān)特定晶體設(shè)計(jì)性能的信息.另外,CTS可以建議適當(dāng)?shù)奶幚沓绦?以避免損壞晶體.
振動(dòng)測(cè)試晶體在振動(dòng)條件下的功能.如果冷卻風(fēng)扇在機(jī)架中運(yùn)轉(zhuǎn),則它可能會(huì)振動(dòng),從而導(dǎo)致晶體振動(dòng).如果引擎靠近水晶,會(huì)感覺(jué)到震動(dòng).振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致石英晶片破裂或破裂,從而損壞晶體.為了通過(guò)更嚴(yán)格的振動(dòng)要求,需要對(duì)內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì).軍事基準(zhǔn)振動(dòng)規(guī)范為10g,適用于10到500Hz.晶體的更嚴(yán)格的規(guī)范是在更高的頻率(高達(dá)200Hz)和/或更高的g水平.同樣重要的是,應(yīng)將晶體安裝在印刷電路板上,以減少晶體和電路板的Q形.Q-ing是當(dāng)振動(dòng)由于與板或晶體的自然共振而放大時(shí).發(fā)生這種情況時(shí),g含量會(huì)顯著升高,通常會(huì)損壞晶體.
耐腐蝕性是晶體抗銹的能力.鹽霧測(cè)試表明,金屬或陶瓷包裝不會(huì)生銹,并且包裝不會(huì)隨時(shí)間而破裂.如果金屬部分未正確電鍍,則用于制造的水洗系統(tǒng)可能會(huì)使包裝生銹.對(duì)于電阻焊應(yīng)用,CTS使用鎳合金蓋或鍍鎳的KOVAR蓋以確保CTS零件不會(huì)生銹.
濕度和濕度測(cè)試不僅可以測(cè)試防銹性能,還可以測(cè)試密封包裝的滲透性.如果水分進(jìn)入包裝內(nèi),將導(dǎo)致性能不佳或無(wú)輸出.為了在晶體中具有出色的長(zhǎng)期性能,必須具有良好的干燥氣氛.
熱沖擊是一種在溫度快速變化的情況下測(cè)試封裝和石英晶片兼容性的方法.如果不兼容,晶體的性能將急劇變化或封裝可能泄漏.通常,在熱沖擊后執(zhí)行泄漏測(cè)試.對(duì)于晶體,標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試是在空對(duì)空環(huán)境中進(jìn)行的,溫度范圍從-65℃到+125℃.液對(duì)液測(cè)試通常不用于晶體.
密封測(cè)試確定包裝中是否存在泄漏.通常指定兩種測(cè)試:總泄漏和細(xì)泄漏.大多數(shù)晶體包裝都應(yīng)同時(shí)通過(guò).總泄漏測(cè)試涉及通過(guò)將晶體浸入液體室內(nèi)來(lái)進(jìn)行某種類(lèi)型的氣泡檢查.精細(xì)泄漏測(cè)試系統(tǒng)使用氦氣作為示蹤氣體和氦氣檢測(cè)器.可以檢測(cè)到低至1x10-9cc/sec的電平.大多數(shù)晶體規(guī)格為1x10-8cc/sec.良好的氣密性將確保在晶體的整個(gè)使用壽命內(nèi)具有良好的老化效果.
可焊性測(cè)試確定焊料對(duì)晶體諧振器的引線或附著墊的潤(rùn)濕性.在使用弱助焊劑或不使用清潔工藝的大批量生產(chǎn)中,必須具有良好的可焊性,以減少對(duì)電路板清洗的需求.蒸汽老化是一種測(cè)試方法,用于驗(yàn)證隨著時(shí)間的推移實(shí)現(xiàn)了良好的可焊性.在可焊性測(cè)試之前用蒸汽對(duì)引線進(jìn)行預(yù)處理,可以幫助延長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的保質(zhì)期.這對(duì)您的應(yīng)用程序可能很重要.如果您在收到晶體后迅速使用晶體,則可能不需要進(jìn)行蒸汽測(cè)試.通過(guò)指定MIL-STD-202方法208,將需要進(jìn)行蒸汽預(yù)處理.在您的晶體上要求進(jìn)行此測(cè)試可能會(huì)稍微影響價(jià)格,因此,在指定蒸汽預(yù)處理之前,考慮您的應(yīng)用可能是您的優(yōu)勢(shì).
詞匯表:
活性下降
一種不需要的晶體特性,表現(xiàn)為晶體電阻和共振頻率的突然變化,隨后同樣突然地恢復(fù)到先前的值.活性下降受晶體驅(qū)動(dòng)電平和負(fù)載電容的影響很大.
老化
由于石英晶體諧振器內(nèi)部變化引起的頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)變化.老化通常表示為每年百萬(wàn)分之幾的最大值[ppm/年].老化的速度本質(zhì)上是對(duì)數(shù)的.以下因素影響晶體老化:諧振器表面污染物的吸附和解吸、安裝和粘合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力消除、材料除氣和密封完整性.
角度
相對(duì)于主晶軸,諧振器毛坯從石英材料上切割下來(lái)的角度[以度、分和秒為單位].切割角度是控制石英晶體單元頻率與溫度性能的主要因素.
AT切割晶體單元
特定類(lèi)型石英晶體切割的分類(lèi).AT切割是當(dāng)今最受歡迎的切割類(lèi)型,適用于兆赫范圍內(nèi)的晶體單元.AT切割被分類(lèi)為厚切變體聲波[BAW]晶體單元,具有立方頻率-溫度曲線,拐點(diǎn)接近室溫.它因其出色的溫度頻率特性而廣受歡迎.
基地
底座通常被稱(chēng)為支架或頂蓋,是石英晶體單元封裝的子組件.
空白的
一種半加工石英諧振器,通常沒(méi)有電極鍍層及其支架或底座.
BT切割晶體單元
特定類(lèi)型石英晶體切割的分類(lèi).BT切割以與at切割近似相反的角度進(jìn)行加工,并被分類(lèi)為厚度剪切晶體單元,具有拋物線頻率-溫度曲線,其拐點(diǎn)接近室溫.因此,在給定的工作溫度范圍內(nèi),BT切割晶體將比AT切割晶體表現(xiàn)出更大的頻移.
電容率
晶體分流電容[C0]除以晶體運(yùn)動(dòng)電容[C1].并聯(lián)負(fù)載諧振頻率變化的指示器,是晶體負(fù)載電容給定變化的直接結(jié)果.在VCXO晶振應(yīng)用中,頻率調(diào)制需要晶體并聯(lián)諧振頻率的變化,可以指定電容比,符號(hào)”r”.當(dāng)在物理石英晶體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí),該比值有局限性.
陶瓷封裝
這種封裝通常被稱(chēng)為集管或無(wú)引腳芯片載體(LCC),是一種表面貼裝晶體封裝,以陶瓷為主要封裝材料.這種封裝與金屬蓋或蓋集成在一起,為石英晶體提供了一個(gè)密封的密封外殼.
晶體切片
相對(duì)于石英棒的晶軸切割晶體空白板.晶體切割的類(lèi)型影響晶體的老化頻率穩(wěn)定性和其他參數(shù).
晶體等效電路
晶體器件由鍍有金屬[電極]的石英諧振器毛坯組成.該鍍層位于晶體的兩側(cè),并與晶體封裝上的絕緣引線相連.該器件在兩個(gè)晶體電極之間表現(xiàn)出壓電響應(yīng),用晶體等效電路表示,該等效電路由以下元件組成:運(yùn)動(dòng)電容[C1]、運(yùn)動(dòng)電感[L1]、運(yùn)動(dòng)電阻[R1]和分流電容[C0].
晶體振蕩器
一種計(jì)時(shí)裝置,由石英晶體諧振器和振蕩器維持電路(通常為時(shí)鐘集成電路)組成,集成在單個(gè)封裝中,以特定的參考頻率提供輸出波形.該術(shù)語(yǔ)通?？s寫(xiě)為XO或SPXO[簡(jiǎn)單封裝晶體振蕩器].
晶體單元
一種計(jì)時(shí)裝置,由石英晶體諧振器及其相關(guān)組件組成.
驅(qū)動(dòng)電平
石英晶體的驅(qū)動(dòng)或激勵(lì)電流的函數(shù).驅(qū)動(dòng)電平是指晶體中的功耗,以微瓦或毫瓦表示.最大驅(qū)動(dòng)功率是器件在保證所有電氣參數(shù)的情況下仍能保持運(yùn)行的最大功耗.驅(qū)動(dòng)水平應(yīng)保持在啟動(dòng)正確啟動(dòng)和確保穩(wěn)態(tài)振蕩所需的最低水平.過(guò)高的驅(qū)動(dòng)電平會(huì)導(dǎo)致老化特性變差,并可能對(duì)晶體造成永久性損壞.
等效串聯(lián)電阻
晶體器件的電阻元件[R1],單位為歐姆.在晶體的串聯(lián)諧振頻率下,運(yùn)動(dòng)電感[L1]和運(yùn)動(dòng)電容[C1]的歐姆值相等,但相位正好相反.最終結(jié)果是它們相互抵消,在等效電路的串聯(lián)支路中只剩下一個(gè)電阻.電子自旋共振測(cè)量?jī)H在串聯(lián)諧振頻率[fS]下進(jìn)行,而不是在某個(gè)預(yù)定的并聯(lián)諧振頻率[fL]下進(jìn)行.
彎曲振動(dòng)
音叉晶體諧振器的一種振動(dòng)模式,其中振動(dòng)板的彎曲運(yùn)動(dòng)用作振動(dòng)源.這種類(lèi)型的振動(dòng)適用于低頻[千赫]晶體器件.
頻率
以赫茲[赫茲]計(jì)量,它是一個(gè)事件在一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)的周期性重復(fù).在電路中,它是指諧振片在一秒鐘內(nèi)振蕩或振動(dòng)的次數(shù).
頻率穩(wěn)定度
工作溫度范圍內(nèi)與環(huán)境溫度頻率的頻率偏差量.該術(shù)語(yǔ)表示為最小和最大百分比[%]或百萬(wàn)分之幾[ppm],由以下主要因素決定:石英切割的類(lèi)型和石英切割的角度.一些次要因素包括:工作模式、負(fù)載電容和驅(qū)動(dòng)電平.
頻率公差
通常稱(chēng)為校準(zhǔn)精度,它是指室溫[+25℃]下與規(guī)定的額定頻率的頻率偏差量.該術(shù)語(yǔ)表示為最小和最大百分比[%]或百萬(wàn)分之幾[ppm].
基本形式
共振板振動(dòng)的第一階和最低階頻率由共振板的物理尺寸決定.
赫茲[赫茲]
頻率的基本測(cè)量單位.它是用來(lái)表示一個(gè)事件在一秒鐘內(nèi)一次完全發(fā)生的度量.晶體的頻率以兆赫或千赫為單位.
絕緣電阻
以最小值表示的晶體引線之間以及晶體引線和基極之間的電阻.
負(fù)載電容
呈現(xiàn)給晶體的電容,單位為皮法.并聯(lián)負(fù)載諧振頻率[fL]是負(fù)載電容的函數(shù).
運(yùn)行方式
石英晶體被設(shè)計(jì)成根據(jù)其基本模式或其泛音之一振動(dòng).對(duì)于AT切割石英晶體,泛音模式為奇次諧波.石英器件的工作模式是決定振蕩頻率的因素之一.
運(yùn)動(dòng)電容
晶體單元中的等效靜電電容分量.晶體的運(yùn)動(dòng)電容[C1]和運(yùn)動(dòng)電感[L1]以串聯(lián)諧振頻率[fS]諧振.當(dāng)C1在石英晶體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí),它的實(shí)際價(jià)值有物理限制.這些限制包括操作模式、晶體切割、機(jī)械設(shè)計(jì)和標(biāo)稱(chēng)頻率.
運(yùn)動(dòng)電感
晶體單元中的等效電感元件.晶體的運(yùn)動(dòng)電感[L1]和運(yùn)動(dòng)電容[C1]以串聯(lián)諧振頻率[fS]諧振.當(dāng)L1在石英晶體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí),它的實(shí)際價(jià)值有物理限制.這些限制包括操作模式、晶體切割、機(jī)械設(shè)計(jì)和標(biāo)稱(chēng)頻率.
標(biāo)稱(chēng)頻率
晶體的特定參考頻率或中心頻率,通常以兆赫[兆赫]或千赫[千赫]表示.貼片石英晶振設(shè)計(jì)和制造所需的頻率.
工作溫度范圍
設(shè)備在振蕩過(guò)程中可能暴露的最低和最高溫度.在此溫度范圍內(nèi),所有設(shè)備指定的操作參數(shù)都得到保證.
泛音模式
基本振動(dòng)階的奇數(shù)倍數(shù).
包裹
用于容納石英晶體毛坯的支架或集管.該封裝有利于毛坯安裝,并保持惰性氣氛,以保持內(nèi)部晶體的振動(dòng)性能.包裝包括金屬或陶瓷等材料,分為通孔或表面貼裝.
拋物線溫度曲線
頻率與溫度的關(guān)系曲線,顯示溫度高于或低于周轉(zhuǎn)溫度時(shí)頻率降低.
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