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
來源：http://www.kaikei-kansa.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一段歷史了,按時(shí)間算已經(jīng)有100多年,只不過在20世紀(jì)40年代才開始真正的發(fā)展起來,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,但如果不是專業(yè)人士,一般群眾對晶體的認(rèn)識少之又少,金洛鑫電子整理的這些資料,可以帶廣大新老客戶全方位的了解什么是晶體晶振,看完之后至少會有基礎(chǔ)的認(rèn)識,如有疑問,歡迎在評論區(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,英國國家物理實(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.
壓電效應(yīng)
石英板在受到電荷時(shí)顯示出機(jī)械運(yùn)動或應(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)動之間的這種關(guān)系被稱為壓電效應(yīng).壓電諧振器有四種基本的機(jī)械振動模式.
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型.對于1兆赫以上的頻率,通常只使用厚度剪切振動模式.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.諧振器的振動質(zhì)量相當(dāng)于一系列運(yùn)動電感,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).對于所有設(shè)計(jì),每種類型的晶體設(shè)計(jì)都有限制.
等效電路由以下參數(shù)組成.所有參數(shù)都可以通過設(shè)計(jì)進(jìn)行自定義,但可以捆綁在一起,因此對一個(gè)參數(shù)的更改會更改其他參數(shù).
L1:晶體的運(yùn)動電感取決于運(yùn)動中石英的機(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.最好讓客戶指定C1[必要時(shí)],然后可以計(jì)算L1.
C1:動電容由石英的剛度[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.對于給定的晶體Q和串聯(lián)諧振頻率,運(yùn)動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)啟動問題.
C0:晶體的并聯(lián)電容部分歸因于晶片的厚度.這是在不振動的情況下測得的電容.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,測量的可重復(fù)性成為問題.對于大多數(shù)設(shè)計(jì)而言,只有在規(guī)定的精度超過±10ppm且對±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,而測量精度則可以精確至0.1分鐘.與該過程有關(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).這通常被稱為Bechmann曲線.石英水晶振子的老化是其頻率相對于時(shí)間的變化.
串聯(lián)或并聯(lián)
一個(gè)常見的問題是應(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?這些問題可以通過分析晶體將使用哪種類型的振蕩器電路來回答.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)被電容分流的簡單電阻.通過在晶體上串聯(lián)或并聯(lián)增加電容[負(fù)載],會發(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,但會偏離所需頻率運(yùn)行.對于大多數(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)稱為“可拉性”或“修整靈敏度”.如果這對您的電路很重要,則應(yīng)指定晶體的動電容,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模式,可以通過振蕩器輸入正確的頻率來激發(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),則雜散模式可能會成為問題.發(fā)生這種情況時(shí),振蕩器可能會以雜散模式而不是主模式運(yùn)行.這稱為模式跳躍.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)也可能會犧牲雜散模式抑制.對于晶體濾波器設(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,因此會發(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)語和概念
晶體的老化是頻率相對于時(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由于質(zhì)量負(fù)載而導(dǎo)致負(fù)頻率偏移.制造過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)間的松弛過程中,對石英晶片的應(yīng)力效應(yīng)會導(dǎo)致正向頻移.該應(yīng)力是由于安裝結(jié)構(gòu)扭曲,推動或拉動晶片而產(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)中的壓力通常會隨著時(shí)間而變化,這可能會導(dǎo)致頻率變化.為了幫助加速應(yīng)力的松弛,有時(shí)會使用熱循環(huán)來”鍛煉”安裝結(jié)構(gòu)并緩解應(yīng)力.
加速老化可以通過加速加熱來預(yù)測老化性能.將晶體放在高溫烤箱中會加速老化效果,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.
測量精度當(dāng)指定晶體的公差時(shí),測量精度可能是可制造性的問題.使用”零相位”或無源測量技術(shù),精度可能達(dá)到百萬分之幾.對于串聯(lián)諧振晶體,由于測量的可重復(fù)性,±5ppm的公差不被認(rèn)為是問題.當(dāng)指定并聯(lián)諧振或負(fù)載測量時(shí),故障開始.測量的最終精度取決于負(fù)載電容的精度.并聯(lián)諧振測量中使用的負(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)動電容變大,則ΔF/pF變大.
例如:
100MHz基本
C1為0.020pF
C0為4.5pF
對于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,測量精度為8ppm.這些僅是說明指定低負(fù)載電容的影響的示例.
驅(qū)動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.過多的驅(qū)動器電平會導(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.
晶體的測量還需要指定驅(qū)動電平.為了獲得更高的精度,首選較低的驅(qū)動級別.驅(qū)動級別通常在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)動電平而不會造成損壞.更高的驅(qū)動電平(高于5mW)可能會損壞較小的高頻設(shè)備.當(dāng)今的應(yīng)用很少能驅(qū)動高于2mW的晶體,典型的最大功率為100uW.
如果客戶未定義,CTS將指定100uW的標(biāo)準(zhǔn)最大驅(qū)動器級別.由于在振蕩電路工作時(shí)驅(qū)動電平指示晶體單元的功耗,因此將晶體保持在驅(qū)動電平規(guī)格之內(nèi)非常重要.
驅(qū)動電平相關(guān)性[DLD]或驅(qū)動電平靈敏度[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)動電平.DLD是可以防止晶振開始振蕩的原因之一.在低驅(qū)動水平下,某些石英諧振器的串聯(lián)電阻可能會大幅增加,從而阻止了它們開始振蕩.一些工程師將它們描述為“睡眠晶體”.該電路有時(shí)會啟動,而不會在其他時(shí)間啟動,但可以通過觸摸示波器探頭,手指或更多驅(qū)動器來激發(fā).實(shí)施DLD測試可以確保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.
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)境測試:
•機(jī)械沖擊
•振動
•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,零件在組裝過程中會意外掉落,我們希望晶體仍能正常工作.從桌面高度掉落水晶可能會導(dǎo)致超過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電平來表征脈沖.低沖擊水平下的持續(xù)時(shí)間可能很長[20ms].較高的震動等級[5,000g’s]會縮短持續(xù)時(shí)間[1/4ms].一些設(shè)計(jì)是專門的,有時(shí)會影響電氣性能.請聯(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.
振動測試晶體在振動條件下的功能.如果冷卻風(fēng)扇在機(jī)架中運(yùn)轉(zhuǎn),則它可能會振動,從而導(dǎo)致晶體振動.如果引擎靠近水晶,會感覺到震動.振動會導(dǎo)致石英晶片破裂或破裂,從而損壞晶體.為了通過更嚴(yán)格的振動要求,需要對內(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含量會顯著升高,通常會損壞晶體.
耐腐蝕性是晶體抗銹的能力.鹽霧測試表明,金屬或陶瓷包裝不會生銹,并且包裝不會隨時(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)可能會使包裝生銹.對于電阻焊應(yīng)用,CTS使用鎳合金蓋或鍍鎳的KOVAR蓋以確保CTS零件不會生銹.
濕度和濕度測試不僅可以測試防銹性能,還可以測試密封包裝的滲透性.如果水分進(jìn)入包裝內(nèi),將導(dǎo)致性能不佳或無輸出.為了在晶體中具有出色的長期性能,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)行泄漏測試.對于晶體,標(biāo)準(zhǔn)測試是在空對空環(huán)境中進(jìn)行的,溫度范圍從-65℃到+125℃.液對液測試通常不用于晶體.
密封測試確定包裝中是否存在泄漏.通常指定兩種測試:總泄漏和細(xì)泄漏.大多數(shù)晶體包裝都應(yīng)同時(shí)通過.總泄漏測試涉及通過將晶體浸入液體室內(nèi)來進(jìn)行某種類型的氣泡檢查.精細(xì)泄漏測試系統(tǒng)使用氦氣作為示蹤氣體和氦氣檢測器.可以檢測到低至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.
可焊性測試確定焊料對晶體諧振器的引線或附著墊的潤濕性.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,以減少對電路板清洗的需求.蒸汽老化是一種測試方法,用于驗(yàn)證隨著時(shí)間的推移實(shí)現(xiàn)了良好的可焊性.在可焊性測試之前用蒸汽對引線進(jìn)行預(yù)處理,可以幫助延長長達(dá)6個(gè)月的保質(zhì)期.這對您的應(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)行蒸汽測試.通過指定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)行此測試可能會稍微影響價(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.
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分之幾的最大值[ppm/年].老化的速度本質(zhì)上是對數(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
相對于主晶軸,諧振器毛坯從石英材料上切割下來的角度[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
特定類型石英晶體切割的分類.AT切割是當(dāng)今最受歡迎的切割類型,適用于兆赫范圍內(nèi)的晶體單元.AT切割被分類為厚切變體聲波[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,通常沒有電極鍍層及其支架或底座.
BT切割晶體單元
特定類型石英晶體切割的分類.BT切割以與at切割近似相反的角度進(jìn)行加工,并被分類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”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
這種封裝通常被稱為集管或無引腳芯片載體(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
相對于石英棒的晶軸切割晶體空白板.晶體切割的類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)動電容[C1]、運(yùn)動電感[L1]、運(yùn)動電阻[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)語通?？s寫為XO或SPXO[簡單封裝晶體振蕩器].
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)動電平
石英晶體的驅(qū)動或激勵(lì)電流的函數(shù).驅(qū)動電平是指晶體中的功耗,以微瓦或毫瓦表示.最大驅(qū)動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)動水平應(yīng)保持在啟動正確啟動和確保穩(wěn)態(tài)振蕩所需的最低水平.過高的驅(qū)動電平會導(dǎo)致老化特性變差,并可能對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)動電感[L1]和運(yùn)動電容[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.電子自旋共振測量僅在串聯(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
音叉晶體諧振器的一種振動模式,其中振動板的彎曲運(yùn)動用作振動源.這種類型的振動適用于低頻[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)語表示為最小和最大百分比[%]或百萬分之幾[ppm],由以下主要因素決定:石英切割的類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)動電平.
頻率公差
通常稱為校準(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)語表示為最小和最大百分比[%]或百萬分之幾[ppm].
基本形式
共振板振動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]
頻率的基本測量單位.它是用來表示一個(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.對于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)動電容
晶體單元中的等效靜電電容分量.晶體的運(yùn)動電容[C1]和運(yùn)動電感[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)稱頻率.
運(yùn)動電感
晶體單元中的等效電感元件.晶體的運(yùn)動電感[L1]和運(yùn)動電容[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)稱頻率.
標(biāo)稱頻率
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一段歷史了,按時(shí)間算已經(jīng)有100多年,只不過在20世紀(jì)40年代才開始真正的發(fā)展起來,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,但如果不是專業(yè)人士,一般群眾對晶體的認(rèn)識少之又少,金洛鑫電子整理的這些資料,可以帶廣大新老客戶全方位的了解什么是晶體晶振,看完之后至少會有基礎(chǔ)的認(rèn)識,如有疑問,歡迎在評論區(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,英國國家物理實(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.
壓電效應(yīng)
石英板在受到電荷時(shí)顯示出機(jī)械運(yùn)動或應(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)動之間的這種關(guān)系被稱為壓電效應(yīng).壓電諧振器有四種基本的機(jī)械振動模式.
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型.對于1兆赫以上的頻率,通常只使用厚度剪切振動模式.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.諧振器的振動質(zhì)量相當(dāng)于一系列運(yùn)動電感,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).對于所有設(shè)計(jì),每種類型的晶體設(shè)計(jì)都有限制.
L1:晶體的運(yùn)動電感取決于運(yùn)動中石英的機(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.最好讓客戶指定C1[必要時(shí)],然后可以計(jì)算L1.
C1:動電容由石英的剛度[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.對于給定的晶體Q和串聯(lián)諧振頻率,運(yùn)動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)啟動問題.
C0:晶體的并聯(lián)電容部分歸因于晶片的厚度.這是在不振動的情況下測得的電容.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,測量的可重復(fù)性成為問題.對于大多數(shù)設(shè)計(jì)而言,只有在規(guī)定的精度超過±10ppm且對±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,而測量精度則可以精確至0.1分鐘.與該過程有關(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).這通常被稱為Bechmann曲線.石英水晶振子的老化是其頻率相對于時(shí)間的變化.
一個(gè)常見的問題是應(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?這些問題可以通過分析晶體將使用哪種類型的振蕩器電路來回答.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)被電容分流的簡單電阻.通過在晶體上串聯(lián)或并聯(lián)增加電容[負(fù)載],會發(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模式,可以通過振蕩器輸入正確的頻率來激發(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),則雜散模式可能會成為問題.發(fā)生這種情況時(shí),振蕩器可能會以雜散模式而不是主模式運(yùn)行.這稱為模式跳躍.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)也可能會犧牲雜散模式抑制.對于晶體濾波器設(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,因此會發(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由于質(zhì)量負(fù)載而導(dǎo)致負(fù)頻率偏移.制造過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)間的松弛過程中,對石英晶片的應(yīng)力效應(yīng)會導(dǎo)致正向頻移.該應(yīng)力是由于安裝結(jié)構(gòu)扭曲,推動或拉動晶片而產(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)中的壓力通常會隨著時(shí)間而變化,這可能會導(dǎo)致頻率變化.為了幫助加速應(yīng)力的松弛,有時(shí)會使用熱循環(huán)來”鍛煉”安裝結(jié)構(gòu)并緩解應(yīng)力.
加速老化可以通過加速加熱來預(yù)測老化性能.將晶體放在高溫烤箱中會加速老化效果,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.
測量精度當(dāng)指定晶體的公差時(shí),測量精度可能是可制造性的問題.使用”零相位”或無源測量技術(shù),精度可能達(dá)到百萬分之幾.對于串聯(lián)諧振晶體,由于測量的可重復(fù)性,±5ppm的公差不被認(rèn)為是問題.當(dāng)指定并聯(lián)諧振或負(fù)載測量時(shí),故障開始.測量的最終精度取決于負(fù)載電容的精度.并聯(lián)諧振測量中使用的負(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)動電容變大,則ΔF/pF變大.
例如:
100MHz基本
C1為0.020pF
C0為4.5pF
對于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,測量精度為8ppm.這些僅是說明指定低負(fù)載電容的影響的示例.
驅(qū)動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.過多的驅(qū)動器電平會導(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.
晶體的測量還需要指定驅(qū)動電平.為了獲得更高的精度,首選較低的驅(qū)動級別.驅(qū)動級別通常在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)動電平而不會造成損壞.更高的驅(qū)動電平(高于5mW)可能會損壞較小的高頻設(shè)備.當(dāng)今的應(yīng)用很少能驅(qū)動高于2mW的晶體,典型的最大功率為100uW.
如果客戶未定義,CTS將指定100uW的標(biāo)準(zhǔn)最大驅(qū)動器級別.由于在振蕩電路工作時(shí)驅(qū)動電平指示晶體單元的功耗,因此將晶體保持在驅(qū)動電平規(guī)格之內(nèi)非常重要.
驅(qū)動電平相關(guān)性[DLD]或驅(qū)動電平靈敏度[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)動電平.DLD是可以防止晶振開始振蕩的原因之一.在低驅(qū)動水平下,某些石英諧振器的串聯(lián)電阻可能會大幅增加,從而阻止了它們開始振蕩.一些工程師將它們描述為“睡眠晶體”.該電路有時(shí)會啟動,而不會在其他時(shí)間啟動,但可以通過觸摸示波器探頭,手指或更多驅(qū)動器來激發(fā).實(shí)施DLD測試可以確保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.
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)境測試:
•機(jī)械沖擊
•振動
•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,零件在組裝過程中會意外掉落,我們希望晶體仍能正常工作.從桌面高度掉落水晶可能會導(dǎo)致超過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電平來表征脈沖.低沖擊水平下的持續(xù)時(shí)間可能很長[20ms].較高的震動等級[5,000g’s]會縮短持續(xù)時(shí)間[1/4ms].一些設(shè)計(jì)是專門的,有時(shí)會影響電氣性能.請聯(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.
振動測試晶體在振動條件下的功能.如果冷卻風(fēng)扇在機(jī)架中運(yùn)轉(zhuǎn),則它可能會振動,從而導(dǎo)致晶體振動.如果引擎靠近水晶,會感覺到震動.振動會導(dǎo)致石英晶片破裂或破裂,從而損壞晶體.為了通過更嚴(yán)格的振動要求,需要對內(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含量會顯著升高,通常會損壞晶體.
耐腐蝕性是晶體抗銹的能力.鹽霧測試表明,金屬或陶瓷包裝不會生銹,并且包裝不會隨時(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)可能會使包裝生銹.對于電阻焊應(yīng)用,CTS使用鎳合金蓋或鍍鎳的KOVAR蓋以確保CTS零件不會生銹.
濕度和濕度測試不僅可以測試防銹性能,還可以測試密封包裝的滲透性.如果水分進(jìn)入包裝內(nèi),將導(dǎo)致性能不佳或無輸出.為了在晶體中具有出色的長期性能,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)行泄漏測試.對于晶體,標(biāo)準(zhǔn)測試是在空對空環(huán)境中進(jìn)行的,溫度范圍從-65℃到+125℃.液對液測試通常不用于晶體.
密封測試確定包裝中是否存在泄漏.通常指定兩種測試:總泄漏和細(xì)泄漏.大多數(shù)晶體包裝都應(yīng)同時(shí)通過.總泄漏測試涉及通過將晶體浸入液體室內(nèi)來進(jìn)行某種類型的氣泡檢查.精細(xì)泄漏測試系統(tǒng)使用氦氣作為示蹤氣體和氦氣檢測器.可以檢測到低至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.
可焊性測試確定焊料對晶體諧振器的引線或附著墊的潤濕性.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,以減少對電路板清洗的需求.蒸汽老化是一種測試方法,用于驗(yàn)證隨著時(shí)間的推移實(shí)現(xiàn)了良好的可焊性.在可焊性測試之前用蒸汽對引線進(jìn)行預(yù)處理,可以幫助延長長達(dá)6個(gè)月的保質(zhì)期.這對您的應(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)行蒸汽測試.通過指定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)行此測試可能會稍微影響價(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.
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分之幾的最大值[ppm/年].老化的速度本質(zhì)上是對數(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
相對于主晶軸,諧振器毛坯從石英材料上切割下來的角度[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
特定類型石英晶體切割的分類.AT切割是當(dāng)今最受歡迎的切割類型,適用于兆赫范圍內(nèi)的晶體單元.AT切割被分類為厚切變體聲波[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,通常沒有電極鍍層及其支架或底座.
BT切割晶體單元
特定類型石英晶體切割的分類.BT切割以與at切割近似相反的角度進(jìn)行加工,并被分類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”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
這種封裝通常被稱為集管或無引腳芯片載體(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
相對于石英棒的晶軸切割晶體空白板.晶體切割的類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)動電容[C1]、運(yùn)動電感[L1]、運(yùn)動電阻[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)語通?？s寫為XO或SPXO[簡單封裝晶體振蕩器].
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)動電平
石英晶體的驅(qū)動或激勵(lì)電流的函數(shù).驅(qū)動電平是指晶體中的功耗,以微瓦或毫瓦表示.最大驅(qū)動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)動水平應(yīng)保持在啟動正確啟動和確保穩(wěn)態(tài)振蕩所需的最低水平.過高的驅(qū)動電平會導(dǎo)致老化特性變差,并可能對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)動電感[L1]和運(yùn)動電容[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.電子自旋共振測量僅在串聯(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
音叉晶體諧振器的一種振動模式,其中振動板的彎曲運(yùn)動用作振動源.這種類型的振動適用于低頻[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)語表示為最小和最大百分比[%]或百萬分之幾[ppm],由以下主要因素決定:石英切割的類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)動電平.
頻率公差
通常稱為校準(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)語表示為最小和最大百分比[%]或百萬分之幾[ppm].
基本形式
共振板振動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]
頻率的基本測量單位.它是用來表示一個(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.對于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)動電容
晶體單元中的等效靜電電容分量.晶體的運(yùn)動電容[C1]和運(yùn)動電感[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)稱頻率.
運(yùn)動電感
晶體單元中的等效電感元件.晶體的運(yùn)動電感[L1]和運(yùn)動電容[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)稱頻率.
標(biāo)稱頻率
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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