石英晶体 英 体 应用与可靠性C Copyright, i ht 1998© 2003 © ©,Arthur Arth rL Lee Technical Director1Hong Kong X’tals Limited.什么是石英晶振？？？• 生产工程师 生产工程师： – 当你的电子板出现问题，它是第 当你的 子板 现问题 是第 一个被替代的元件！ • 采购人员： – 是一种很难找到”可靠”供应商的 元件！ • 研发工程人员： – 一个难以理解的小黑盒！Hong Kong X’tals Limited2什么是石英晶振？晶振是一个压电元件，即： 能量在电能与机械能状态下每 秒转换百万次所以，压电元件的規格特性要求不同於其他纯电气或 纯机械的元件 : •电阻—纯电气 •螺钉—纯机械Hong Kong X’tals Limited3HC-49U石英晶体的结构外壳 壳 两面银电极 机械能 Mechanical Energy Stress and Motion 石英晶片（白片） 導电银胶 压力和及运动 压力和及 动底座注入干净、 注入干净 干燥的惰性 气体电能 Electrical Energy Voltage & Current 电压及电流4Hong Kong X’tals Limited石英晶体的(简化)理論模型L1, , C1 : 机械能—应力及运动 电能—电压及电流Co : 静电容RS ( ESR ) : 能量耗损Rs : (ESR) E R Equivalent i l tS Series i R Resistance it 串联电阻 Co : (Shunt Capacitance) Electrode Capacitance静电容 C1 : (Cm) Motional Capacitance 动态电容L1 : (Lm) Motional Inductance 动态电感5Hong Kong X’tals Limited晶体 抗特性 晶体阻抗特性Rs，Co，C1和L1会提供关于晶体阻抗跟频率的关系， 此关系可用数学计算 但其有效范围 只是在工作 此关系可用数学计算。
但其有效范围, 频率的几百ppm附近。
Crystal Impedence vs FrequencyJ part of Crystal Impedence晶体阻抗的J部份晶体阻抗对位频率曲线Frequency频率Hong Kong X’tals Limited6如何标定晶体規格? 如何标定晶体規格• 首先需了解你电子线路的特性; 从而 标定晶体的电子规格。
标定晶体的电子规格 • 然後再加上产品的环境要求, 从而 标定晶体。
• 再而考虑加上晶体有关的可靠性規 格。
对不起，不是拷貝老規格Hong Kong X’tals Limited7电子線路与产品要求Copyright 1998 © Copyright, ©, 2003 ©Hong Kong X’tals Limited.8简单的 英振荡 结构 简单的石英振荡器结构振荡器有3个主要部份Gain=A Ph Phase= pAmplifier:放大器, 放大器 相位补偿网络和 晶体 晶体仅为整个振荡器 环路中 三个部份中的其中一 部份.Phase compensation networkCrystalHong Kong X’tals Limited9 Hong Kong X’tals Limited振荡 的等效模式 振荡器的等效模式Gain=A Phase= pLoad Negative Capacitance Resistance CLΑβ > 1Drive D i L Level l= Vx * IxIxHong Kong X’tals LimitedVxRLXLe= - XCL10线路基本特性(简化)放大器和相位补偿网络的特性( 简化):•增益&相移->负阻>FR FL (•相移-> FR 或FL (及CL)•电压振幅及相移-> 激励电平•小波幅增益-> 起功特性如何测量电路参数如何测量电路参数?相当困难!!晶体是在高阻抗及小电容下操作的.因此,插入任何测试探针都将影响它的操作环境: •示波器探头(2PF~20PF):太大•矢量电压表探头(50Ohm):负荷太大建议將你的PCB板送交晶体供应商测试•建议將你的PCB板送交晶体供应商测试.负阻抗及最大ESR振荡线路的负阻是线路能维持正常工作時(正常振荡波幅), 晶体的可容許最大阻抗。
不过，在以下情况下负阻抗可能有变化:的可容許最大阻抗不过在以下情况下负阻抗可能有变化•电源变化•温度变化•元件批量的误差•启动•晶体的电阻可能随激励电平及温度的变化而变化。
因此，通常情况下，建议标定晶体的最大电阻等于负阻抗的1/3(到1/10)。
激励电的定义激励电平的定义字面上的定义,很简单,激励电平（工作状态）=能量在晶体中的消耗=电压Vx与电流Ix的矢量积•类似电阻的功率,但电阻的标定功率是指最大可容许功率,对晶体而言标定最大的激励电平是毫无意义的的激励电平是毫无意义的.•对电阻你只会要求多少%的精度，而不会要求多少个ppm (parts per million 百万分之几)的精度。
•对晶体你要求多少个ppm 的精度就必须标明工作状态的激励电平(功率)对晶体，你要求多少个ppm 的精度，就必须标明工作状态的激励电平(功率)工作状态的激励电平其取决于线路,而不是晶体.晶体生产厂家在此激励电平下测试晶体•晶体生产厂家在此激励电平下测试晶体.•电流测试会影响相角(CL).建议将你的PCB板交晶体供应商测量.()什么是负载电容(CL) ?Load•负载电容反映线路的相位偏移。
NegativeResistanceCapacitance•晶体可以在0到90度之间任一相移下工作,所以,每只晶体都有”串联谐振”和”负载Αβ 1谐振”晶体制造厂家会在特定的相位下调整晶体的频率般在合理範圍(12F)Αβ > 1的频率。
一般在合理範圍(>12pF),不会影响直接單位成本。
只会影响销售/存货等間接成本RL XLe= - XCL成本。
調整线路的负载电容可能影响线路的負阻•对合理用量(50K/月)的产品不用考虑甚么是”标准”负载电容。
FS, FR, FL and FA晶体阻抗及频率曲线F A tiFr ( CL = infinity )Fa = （Anti-Resonance Frequency)延伸到无穷值的阻抗J部份的频率;没有必要标定FAFrequencySmaller CLLarger CLFS, RS and FR, RR在零相位时:晶体频率= FR ( Resonant Frequency 谐振频率)..2Impedance = RR ,No imaginary partFS π.阻抗=RR,,虚部为零•Fs 为谐振频率(零相位)，Fs为串联频率, 定义不同；•60MHz以下：Fs = Fr，Rs(ESR) = Rr120MH 以上由于C0的阻抗晶体没有零相位因此Co•120MHz以上：由于C0的阻抗，晶体没有零相位，因此，FR及RR不存在。
FL, RL and FP, RP(Load Capacitance )在零相位(包括外接负载CL)Frequency =FL FP 为同义( Load Capacitance )q y ()RS Co 2RL .1Ideal (RL = RP•RL 会有比较大的测试误差,因此不要在规格内标定。
請标定ESR。
不过故设计时必需考虑不过，RL 是线路上体现出的实际阻抗,故设计时必需考虑。
如何标定频率电如何标定频率及电阻•描述振荡器在运作中的精确频率,如下:–如果你想要3rd O/T 36MHz,请描述36MHz,不是12MHz.•如果电路在零相位请描述:Fr,及Rr等•如果电路在滞后相位请描述: FL,CL及如果电路在滞后相位请描述FL CL及RR如何标定Co?如果你的频率在100MH 以下那么C 的值如果你的频率在100MHz以下,那么Co的值就不重要了.在这种情况下,标定Co<7pF是无害的,且Co 7p 是无害的,且亦毫无意义.高频時,如何标定Co高频時如何标定在高频率下(约>100MHz)，Co的阻抗值变得非常小，因此Fr不存在(没有零相位)，此时，晶体就象一个电容器存在(没有零相位)此时晶体就象一个电容器通常需要外加电感来抵销Co, 以得出零相位。
在这种情况下, 需要标定Co = 供应商提供值+/-15%1ω牵引的規格需要在晶振工作时改变振荡器频率这种应用为牵引应用(如FM,VCXO,PLL FSK 等)•用这其中的任何一个参数说明拉力都是独立用这其中的任何个参数说明拉力都是独立有效的:Ts,FL1-FL2,DF•这些参数也可说明牵引量,但较为间接:C1,L1,Co,Q, 尽量不要采用。
C1L1C Q尽量不要采用牵引量的規格•需要在晶振工作时改变振荡器频率这种应用为牵引应用(如FM,VCXO,PLL FSK 等),就需要标定牵引量: Ts 如,,等),就需要标定牵引量Trimming Sensitivity [計量单位为ppm/pF]Ts 11C1CT Co CL•用这其中的任何一个参数来标定牵引量都是独立有效的T FL1FL2DF:Ts,FL1-FL2,DF •在高牵引量的应用，可中考虑使用Fs。
•如果用在简单的振荡器应用规定最大可容许的Ts可得到如果用在简单的振荡器应用,规定最大可容许的Ts可得到更高的Q值。
不多次重覆标定牵引量特性不要多次重覆标定牵引量特性•仅用一个参数说明牵引量sEffectiveg r a n g e pulling rangeP u l l i n CoC1Ts每个晶体仅有一个牵引量特性,如再多一些标定只会产生混乱及矛盾。
不用来标定牵引量不要用Co来标定牵引量L1,Co,Q只是间接体现牵引力.不同的晶体设计，生产工芸及材料，即使晶体不同的晶体设计生产工芸及材料即使晶体的Co相同，其牵引也可能不同。
因此，不要用Co来表示牵引量。
用Co来表示牵引量一些晶体生产厂可能会用C1对牵引量作晶体生产过程的控制，这是可以接受的.AT切温度特性AT 切温度特性•对AT切,通常温度变化-10至+60,频率在+/-30到50ppm 是很容易做到的•=0PPM通常设25度C为参考点 0 PPM 501030/ p p m-10F r e q u e n c y D e v i a t i o n -30-5Te m p e r a tu r e / C e lc iu s-55-45-35-25-15-551525354555657585BT切温度特性•温度变化时BT切频率通常变化大于200PPM•习惯上25度C为0PPM 参考点。