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一、一般性描述及术语
    石英晶体谐振器很多时候也简称“晶体” 或“水晶”(用户很多称其“晶振”、“振子”是欠准确的),它一般是从人造合成的石英晶体块状或棒状材料中,按定轴方位来切割研磨出的石英晶片,经金属电极加工并被装在支架上作成晶体振子,再经外壳焊接封装在盒子内而制成的。根据其产品指标参数及加工工艺,一般可将其分为普通晶体和精密晶体两类,前者普遍应用于用户整机或板卡的振荡电路或滤波电路中,后者主要应用于精密的晶体振荡器和晶体滤波器上;根据其外壳盒型,又将其分为许多型号,祥见后述。武汉泰晶电子科技有限公司专业致力于石英晶体元器件的生产开发,可进行大多数盒型的普通及精密晶体产品的批量生产,还可为用户提供特殊订制的最小批量的晶体产品。
1、晶体材料 
    现代的晶体产品生产基本都是采用人造合成的石英晶体(SiO2)材料,其材料单体成块状或棒状。对晶体材料的综合评价通常使用Q值(非直测指标)来标示,Q值越高,其制成的晶体产品品质才会更好,精密晶体都是采用高Q值的材料制造的。
2、切型
    指晶片相对于石英晶体结晶轴(物理结构)的切割取向。由于石英晶体是各向异性体,故不同方法、角度、精度切割的晶片,其频率温度特性、使用频率范围以及等效电路的各项参数也有所不同。晶体产业生产中主要选用的切割类型有AT、BT、SC等切型,其中AT切型被大多数晶体产品制造采用;SC切型因其优异的频率温度特性和老化特性,而在高精密晶体的制造中被优先采用,但遗憾的是其工艺加工难度很大,成本极高。
3、晶片
    指切割加工成一定几何形状、尺寸并相对结晶轴有一定取向的压电体。晶片的设计加工质量直接影响晶体成品的质量,武汉泰晶电子科技有限公司通过技术人员多年的经验积累,在晶片设计与表面处理上对晶片质量进行控制;同时选用经线切割和激光两次校角的晶片,来保证精密晶体所要求的晶片切割精度。
4、电极
    指与晶片表面接触或接近的导电膜或导电板,通过它给晶片施加电场。普通晶体的电极现在一般采用纯银,精密晶体根据需要采用金、铝等材料,以及一些辅助性特殊材料;电极的制备通常采用真空镀膜的方式。武汉泰晶电子科技有限公司特别使用改进的设备和工艺,在超净化的生产环境和无油的真空腔内完成精密振子的电极镀膜调频。
5、晶体盒
    指保护晶体振子和支架的外壳。将晶体振子装联在支架上的“晶体谐振件”通过专用焊接设备封装在外壳内,即完成了晶体谐振器的制造。武汉泰晶电子科技有限公司采用专门的高品质材料和工艺,进行振子的装架与谐振件的封装,特别为保证精密晶体的老化特性。
晶体盒型即外壳的外形尺寸规范,其尺寸确定了它要容纳的振子的最大尺寸。这最大尺寸限制了每种晶体盒频率范围的下限,也限制了机械强度、再现性以及等效电路参数的选择。注意:晶体元件特性对所承受的振动和冲击是敏感的,甚至是破坏性的。
晶体盒型是目前晶体元件型号分类的主要标准。就有引线的金属盒晶体元件而言,国际市场上流行的盒型,其命名是参照美国的标准,主要有HC-49/U、HC-49/T、HC-49/US、UM-1、UM-5等;在国内的晶体谐振器型号分类,也有采用原电子部部颁标准的,如JA5、JA8、JA10等等,但其用法已较少。武汉泰晶电子科技有限公司采用前述国际市场上流行的盒型命名规范。
6、基频或泛音晶体元件
    振子设计工作在给定振动模式最低阶次上的晶体元件称为基频晶体,而工作在比最低阶次要高的阶次上的晶体元件也就称为泛音晶体,泛音有三次、五次、七次、九次、十一次等,一般采用三次、五次、七次,更高次的泛音晶体生产已不好控制。对于一个晶体元件的设计,给定其振动模式,它的频率即由晶片的方位、尺寸确定,而振动模式取决于使晶片与电路联系在一起的压电效应,特别注意:同样一个频点的晶体,采用基频或者泛音方式,其在电路应用上所反映的特性是不同的。如果用户需要向武汉泰晶电子科技有限公司专门订制特殊频点的晶体,请提供您的使用条件,余下可由我们来完成。
二、晶体元件的电气特性及其指标
    尽管石英晶体的性能十分稳定,但其元件最后可达到的电气性能还要取决于它的使用方式,这是因为它的性能要受到环境及相配电路的影响;另外,晶体元件规范所涉及的指标参数不必要的苛刻选择,如把频率设计在任何切型或盒型的上限或下限频率以及上下限频率附近的频率,都会引起成本和可获得性方面的恶化。所以用户在设计使用和专业选购时,谨慎的做法是跟晶体制造厂商预先沟通和讨论晶体的具体应用,以保证您的技术选择和成本投入是有益的。
1、 晶体谐振器的等效电路


    图1是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。
其中:C1为动态电容也称等效串联电容;L1为动态电感也称等效串联电感;
R1为动态电阻也称等效串联电阻;C0为静态电容也称等效并联电容。
这个等效电路中有两个最有用的零相位频率,其中一个是谐振频率(Fr),另一个是反谐振频率(Fa)。当晶体元件实际应用于振荡电路中时,它与一负载电容相联接,共同作用使晶体工作于Fr和Fa之间的某个频率,这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定,通过改变电路的电抗条件,就可以在有限的范围内调节晶体频率。
2、晶体的频率
    由于晶体在电路的应用中其电气特性表现较复杂,与其相关的频率指标也有多个,主要的是:
a) 标称频率(F0)
指晶体元件规范中所指定的频率,也即用户在电路设计和元件选购时所希望的理想工作频率。
b)谐振频率(Fr)
指在规定条件下,晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个频率。根据图1的等效电路,当不考虑C0的作用,Fr由C1和L1决定,近似等于所谓串联(支路)谐振频率(Fs)。

    

这一频率是晶体的自然谐振频率,它在高稳晶振的设计中,是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数。
c)负载谐振频率(FL)
指在规定条件下,晶体元件与一负载电容串联或并联,其组合阻抗呈现为电阻性时两个频率中的一个频率。在串联负载电容时,FL是两个频率中较低的那个频率;在并联负载电容时,FL则是其中较高的那个频率。对于某一给定的负载电容值(CL),实际这两个频率是近乎相等的。

    

这一频率是晶体的绝大多数应用时,在电路中所表现的实际频率,也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数。
3、负载电容(CL)
    指与晶体元件一起决定负载谐振频率(FL)的有效外界电容。晶体元件规范中的CL是一个测试条件也是一个使用条件,这个值可在用户具体使用时根据情况作适当调整,来微调FL的实际工作频率(也即晶体的制造公差可调整)。但它有一个合适值,否则会给振荡电路带来恶化,其值通常采用20pF、30pF、50pF、∝及8pF、12pF、15pF等,其中当CL标为∝时即表示其用在直接串联谐振型电路中,不要再串联负载电容,并且工作频率就是晶体的(串联)谐振频率Fr。用户应当注意,对于某些晶体(包括不封装的振子应用),在某一个给定负载电容下(特别是小负载电容应用时),±0.5pF的容差就能产生±10×10-6的频率误差。由此可见,负载电容是一个非常重要的订货规范指标。
4、电容比(r)
    指晶体静态电容(C0)与动态电容(C1)之比,r=C0/C1。前面已描述,通过改变电路的电抗条件,就可以在有限的范围内调节晶体频率,而晶体频率可以改变的程度(或作为压控晶体振荡器的频率牵引范围)跟r成反比;在滤波电路的应用中,r可影响滤波器的带宽。一般的,对给定切型和给定设计而言r是一常数,武汉泰晶电子科技有限公司可以根据用户的使用要求,有益设计r的值。 
5、晶体的电阻 
如同晶体的频率一样,晶体的电阻在电路中的表现也很复杂,主要应该关注的是: 
a)谐振电阻(Rr) 
指晶体元件在谐振频率处的等效电阻,当不考虑C0的作用,也近似等于所谓晶体的动态电阻(R1)或称等效串联电阻(Rs)。这个参数控制着晶体元件的品质因数,还决定所应用电路中的振荡电平,因而影响晶体的稳定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶体元件的一个重要指标参数。一般的,对于一给定频率,选用的晶体盒越小,R1的平均值可能就越高;绝大多数情况,在制造过程中并不能预计具体某个晶体元件的电阻值,而只能保证电阻将低于规范中所给的最大值。根据IEC标准:“制造商对电阻可控制到如下程度:对某些型号任何一批中可以有3:1的差别;批和批之间的差别可能更大”。武汉泰晶电子科技有限公司利用先进的技术管理和严格的工艺控制,持续不断的为此做出努力。 
b)负载谐振电阻(RL) 
指晶体元件与一指定外部电容相联接,在负载谐振频率FL时呈现的等效电阻。对一给定晶体元体,其负载谐振电阻值取决于和该元件一起工作的负载电容值,串上负载电容后的谐振电阻,总是大于晶体元件本身的电阻R1。RL是用户电路设计时要关注的指标。 
6、激励电平 
是一种用耗散功率表示的,施加于晶体元件的激励状态的量度。所有晶体元件的频率和电阻都在一定程度上随激励电平的变化而变化,这称为激励电平相关性(DLD),因此订货规范的激励电平须是设备中实际使用的激励电平。虽然一般的较低激励电平有助于电路中晶体的迅速起振和长期稳定,但有时也会导致其在振荡器的应用中某些指标欠佳;当然过度的激励,对晶体元件会产生不可逆频率变化的影响,用户设计和使用时必须保证不出现过度激励的现象。 
7、寄生响应 
晶体振子的一种与有关工作频率不同的谐振状态。振荡器应用中出现寄生响应问题是和晶体设计及振荡器设计有关;作为滤波器用的晶体元件重要的是寄生响应的位置和幅度。武汉泰晶电子科技有限公司熟知特定晶体元件所呈现的寄生响应是可预计的,用户提出有关的应用频率范围和要求,我们就会采取相应的措施予以控制。 
10、品质因数(Q) 
指晶体元件谐振特性曲线的敏锐度。是一个综合评判晶体元件状态的不能直接测试的表征指标。 
11、频率允许偏差
一般来讲,应该根据晶体应用整机系统的要求,来确定晶体元件的工作温度范围及其频率允许偏差。当同一整机设备打算供不同气候条件和不同技术要求的场合使用时,就应该考虑采用若干个晶体元件订货规范来覆盖这些不同的要求,而绝不是统一于最严的规范。
a)调整频差 
指在规定条件下,基准温度(通常为25℃±3℃)时工作频率相对于标称频率的允许偏离,也即制造公差。它是一个相对偏差,表达式:
 单位ppm(百万分之一) 
b)温度频差 
指在规定条件下,晶体元件在工作温度范围内相对于基准温度时工作频率的允许偏离,也即频率随温度变化而变化的频率温度特性。表达式: 
 单位ppm 
c)老化率 
指在规定条件下,由于时间所引起的允许偏离。这一指标对精密晶体是必要的,但它“没有明确的试验条件,而是由制造商通过对所有产品有计划抽验进行连续监督的,某些晶体元件可能比规定的水平要差,这是允许的”(根据IEC的公告)。老化问题的最好解决方法只能靠制造商和用户之间的密切协商。武汉泰晶电子科技有限公司可以按照用户的使用条件或规范要求进行试验或验证。 
d)总频差 
由于指定的一种或多种原因引起的,工作频率相对于标称频率的最大允许偏离。它可能包括由调整频差、温度频差和老化等因素引起的工作频率综合变化。武汉泰晶电子科技有限公司的产品规范中不采用该指标。 
12、零温度系数点(Z.T.C) 
指在频率温度特性曲线上频率变化为零的温度点,也称拐点。一般是应用于恒温晶振的晶体指标要求。