石英晶體元件性能參數(shù)簡介

1、石英晶體元件性能參數(shù)簡介術(shù)語簡介： 1、石英晶體元件的等效電路 其等效電路是一個晶體元件在諧振頻率附近具有與晶體元件相同阻抗特性的電路，通常用L1、R1、C1相串聯(lián)后再與C0并聯(lián)表示。見下圖。 2、石英晶體元件的等效參數(shù)（包括靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)）： C0 靜電容 L1 等效電感 C1 等效電容 R1 等效電阻 2.1 等效電阻R1 石英晶體的等效電阻是其工作時能量損耗的量度，它包括晶片的內(nèi)摩擦、支架應(yīng)力損耗、空氣阻尼、電極膜與晶片之間的內(nèi)摩擦等，其影響大小不等，難以計算。 2.1.1、串聯(lián)諧振電阻R1在規(guī)定條件下，晶體元件在串聯(lián)諧振頻率f時呈現(xiàn)的等效電阻，又稱諧振電阻，即不加負(fù)載電容時測得的電

2、阻。 2.1.2、負(fù)載諧振電阻 RL 在規(guī)定條件下晶體元件在與規(guī)定的負(fù)載電容CL相串聯(lián)后工作在負(fù)載諧振頻率fL時所呈現(xiàn)的電阻。 RL與R1的關(guān)系為：RL R11+( C0 /CL)2 2.1.3、影響諧振電阻的因素 影響諧振電阻的因素很多，例如原材料質(zhì)量情況、晶體設(shè)計是否合適、生產(chǎn)工藝水平、清潔程度高低、晶體使用是否恰當(dāng)、激勵電平的高低等。一般情況下，晶體的泛音電阻要比其基頻的電阻大，但是采取特殊措施也可以使泛音電阻比其基頻的電阻小。 2.2、等效電容C1 等效電容C1：等效電路中串聯(lián)臂中的電容，也稱動態(tài)電容。 2.2.1、C1的表達(dá)式 C1=1/ L1 (2f)2 C1值用儀器直接測量時是用

3、下式計算出來的： C1=2(fLfr)（C0CL）/ fr =2f(C0CL) / fr 或者 C1=2(fL1fr) (fL2fr)(C L2CL1）/ fr (fL1fL2)=2fL1fL2 CL/ frfL fL加負(fù)載電容CL后的頻率 fr不加負(fù)載電容時的串聯(lián)諧振頻率 CL1、 C L2一大一小的兩個負(fù)載電容 fL1、fL2加CL1、 C L2時的頻率 ffLfr fL1fL1fr fL2fL2fr fLfL1fL2 CLC L2CL1 2.2.2、C1的用途 有的客戶提出C1大于某一數(shù)值是為了獲得比較大的負(fù)載諧振頻率偏值，即要求fLfL1fL2較大，以便改變CL后能夠獲得較大的頻率變化

4、量。有的客戶則提出頻率牽引靈敏度大于某一數(shù)值，以便通過調(diào)整CL很容易的將晶體的頻率調(diào)整到要求值。 2.3、等效電感 等效電感又稱動態(tài)電感，其定義為：等效電路中串聯(lián)的電感，在客戶的技術(shù)要求中不出現(xiàn)，它和晶體的Q值成正比，從機械振動理論講，等效電感表示了在晶片振動時所儲存動能的量度。 2.4、并電容C0 并電容：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容，簡稱值。它是把晶體元件當(dāng)做一個平行板電容器在晶體元件非工作狀態(tài)測量出來的一個電容值，它與泛音次數(shù)無關(guān)，是一個靜態(tài)參數(shù)，所以又稱靜電容。 3、石英晶體的品質(zhì)因數(shù)3.1、品質(zhì)因數(shù)Q 石英晶體元件的品質(zhì)因數(shù)又稱Q值，是石英晶體元件質(zhì)量的量度，其基本定義為：每個振動周

5、期內(nèi)儲存的能量和每個振動周期消耗的能量之比。表達(dá)式為： Q= (2f L1)/ R1 它反映諧振器工作時克服摩擦阻尼而消耗能量的大小3.2、Q值和晶體元件的頻率穩(wěn)定性的關(guān)系 晶體元件的頻率穩(wěn)定性與其Q值有密切關(guān)系，Q值越高則晶體元件的頻率穩(wěn)定性越好，當(dāng)Q=180萬時日老化率為5*10-11/天，對于一只頻率為4.194304MHZ的石英鐘晶體每天變化0.00021HZ，相當(dāng)于13年變化1秒。長期頻率穩(wěn)定度取決于晶體的老化率。3.3、Q值和晶體元件的起振特性的關(guān)系 Q值越高則晶體元件的起振特性越好，越容易起振，因為Q值越高每個振動周期消耗的能量越少。4、負(fù)載電容CL 4.1、為什么要加CL？ 首

6、先是為了調(diào)整晶體元件的頻率，使其更精確的地達(dá)到要求值，所以一般CL是一個可變電容，但是許多客戶已不再調(diào)整頻率，CL是一個固定值電容，其次在晶體振蕩電路中實際存在的一些電容也對晶體的頻率產(chǎn)生影響，所以在生產(chǎn)晶體時也必須將這些電容等效地加在晶體上，否則晶體頻率和使用頻率將會不一致，有時因客戶提供的CL不準(zhǔn)確也會使晶體在客戶的電路板上產(chǎn)生很大頻差。5、激勵電平P 激勵電平：石英晶體元件工作所消耗的功率的表征值常用P表示。 在激勵電平較大或很小時，晶體元件的頻率和電阻都在一定程度上隨激勵電平的變化而變化，因此規(guī)定的激勵電平值應(yīng)為設(shè)備中實際使用的激勵電平值，而且這個值應(yīng)該是合適的，即不能太高，也不能太低

7、。 5.1、激勵電平太高是會導(dǎo)致以下結(jié)果： 5.1.1、容易出現(xiàn)寄生振蕩，使頻率溫度特性和電阻溫度特性產(chǎn)生畸變，如：跳頻、活力下降、死點等。 5.1.2、由于晶體過熱和過應(yīng)力造成的頻率漂移，此漂移一般是不可逆的、 5.1.3、電阻突然變化，可用此原理來進(jìn)行電清洗，經(jīng)強激勵后電阻一般均下降，一般不可逆。 9.2、激勵電平太低會使晶體電阻增大，以至于不能起振。在額定激勵電平下其電阻值就可能相差很大，起振特性不好，甚至停振。因此現(xiàn)在許多客戶提出了DLD（激勵電平相關(guān)性）的要求，由于集成電路的廣泛運用，客戶希望P盡量小。6、老化 老化：石英晶體元件頻率和諧振電阻隨時間的變化關(guān)系。在大多數(shù)的應(yīng)用中主要是

8、頻率隨時間的變化，其變化是長時間的不可逆返的。雖然石英晶體元件的頻率穩(wěn)定性非常優(yōu)良，但仍然會隨存放時間、工作時間的延長及激勵功率和工作溫度變化而變化。 6.1、因自然存放時間而引起的頻率相對變化稱為自然老化； 因工作時間引起的頻率相對變化稱為負(fù)荷老化，總稱為老化頻差，簡稱老化。 6.2、老化原因 老化的原因主要是由于晶片經(jīng)過研磨、腐蝕后打破了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平衡；晶片表面雜質(zhì)、污物及電極膜也參與了振動，改變了晶體的密度，增加了其應(yīng)力，由于質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)和應(yīng)力馳預(yù)效應(yīng)而導(dǎo)致頻率變化。 6.3、由于老化是一個長時間的緩慢變化的過程，通常用年老化率表示，一般要求為5PPM/年。如果采用優(yōu)質(zhì)原料和精密設(shè)計

9、和加工，年老化率可優(yōu)于0.5PPM。 6.4、影響老化的因素 影響老化的因素很多，是晶體生產(chǎn)廠工藝水平的集中表現(xiàn)。老化的機理很復(fù)雜，許多人已進(jìn)行了廣泛深入的試驗研究，普遍認(rèn)為，它不但與水晶原料質(zhì)量、晶片切型有關(guān)，而且受石英片加工和晶體裝配工藝影響很大，例如：研磨對晶片造成的應(yīng)力、晶片表面附著物的增減、電極膜和晶片之間的應(yīng)力、上架過程和晶片之間形成的應(yīng)力的變化、晶體盒漏氣、振子污染、過激勵、過度的沖擊、及較高的溫度等都會產(chǎn)生影響。同樣條件下，外殼密封性越好，則老化相應(yīng)小一些，如玻璃殼封裝、電阻焊封裝、冷壓焊封裝等。它們要比焊錫封裝要好。 為了減少老化，針對有關(guān)因素常常采取的相應(yīng)措施有：A、 保證

10、晶片表面和邊緣的光潔度B、 足夠的腐蝕量，確保全部去除破壞層。C、 確保晶片、電極膜、支架、絕緣襯套、外殼內(nèi)部的清潔度。D、 電極膜不能太厚，保證鍍膜公差，盡量減少微調(diào)量。E、 要保證鍍膜和微調(diào)是的真空度，鍍膜前進(jìn)行離子轟擊清洗，鍍膜中保 持適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)速度。F、 鍍膜前后、微調(diào)后在充氮烤箱中烘烤消除應(yīng)力。G、 烤膠后清洗掉導(dǎo)電膠的揮發(fā)物。H、 晶體殼內(nèi)充高純氮氣（99.99）。I、 封焊后密封性能良好。J、 盡量減少從晶片清洗到諧振件封裝前在空氣中的存放時間，減少污染。 此外，人們常用高溫（85或125）常時間（30天）烘烤，加速老化的方法快速降低質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)和應(yīng)力馳預(yù)效應(yīng)，提前剔除老化性能差

11、的產(chǎn)品。有人通過試驗發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力起主導(dǎo)作用時烘烤后頻率向正方向變化，而質(zhì)量負(fù)荷起主導(dǎo)作用時則向負(fù)方向變化。因為老化原因及其變化過程很復(fù)雜，很難預(yù)測每只晶體的變化方向。7、標(biāo)稱頻率晶體元件技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的頻率。即客戶在訂單中提出的頻率。通常標(biāo)識在晶體的外殼上，它與晶體元件的實際工作頻率有一定的差值。 工作頻率:晶體元件與其電路一起產(chǎn)生的振蕩頻率。8、調(diào)整頻差在規(guī)定條件下基準(zhǔn)溫度時的工作頻率相對于標(biāo)稱頻率的最大偏離值。在技術(shù)規(guī)范中用相對偏差表示，其單位為PPM。9、基準(zhǔn)溫度為了確定晶體元件的頻率準(zhǔn)確度而規(guī)定的溫度，或者測量晶體元件時指定的環(huán)境溫度。因為當(dāng)晶體元件所處的環(huán)境溫度變化時頻率也隨之變化，所

12、以為了使生產(chǎn)廠和用戶測頻時的一致性，都必須在規(guī)定的溫度（基準(zhǔn)溫度）下測量。它表示：A、晶體元件經(jīng)常的工作溫度B、除恒溫晶體外，一般為25±210、工作溫度范圍（簡稱工作溫度）技術(shù)條件（如訂單）中規(guī)定的一種環(huán)境溫度范圍，在該溫度范圍內(nèi)晶體元件性能指標(biāo)能符合規(guī)定的技術(shù)要求。11、溫度頻差在規(guī)定條件下，晶體元件在工作溫度范圍內(nèi)的工作頻率相對于其基準(zhǔn)溫度時工作頻率的允許偏差稱為溫度頻差。也就是只是因為溫度的變化而引起的頻率變化，它不包含調(diào)整頻差。溫度頻差的大小決定了晶體元件頻率溫度特性的好壞，同樣也用相對頻差表示，單位為PPM.12、石英諧振器的用途 石英諧振器又稱石英晶體組件，簡稱石英晶體

13、或晶體，它是一種電子元件，因為其最主要的特性就是在工作時能夠產(chǎn)生一個非常穩(wěn)定的頻率，在需要進(jìn)行頻率控制和選擇的各類電子產(chǎn)品中起穩(wěn)頻和選頻的作用。因此，在國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)中它的全稱為頻率控制和選擇石英晶體元件。它被廣泛應(yīng)用于國防、軍事、工業(yè)及民用電子設(shè)備設(shè)備中，原國家科委主任、工程院院士宋建曾強調(diào)指出：“石英晶體元件是特種關(guān)鍵元件，航天導(dǎo)彈衛(wèi)星和運載火箭每個型號都要用，一旦用上了就是整機的心臟”。對于石英晶體在工業(yè)和民用領(lǐng)域中的作用，日本科學(xué)家曾作過這樣的精辟的評價：“石英晶體產(chǎn)品已經(jīng)在今天這場使工作生產(chǎn)更有效以及家庭生活更舒適的電子革命中擔(dān)任了主要的支柱的角色，它是其它元件很難相比

14、和不能取代的”。 以下是主要用途簡單介紹： 一、在航天和軍事上的應(yīng)用 如：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、軍用電臺、遙控、遙測等，我國第一顆人造地球衛(wèi)星就使用了原六七研制的石英晶體元件。 二、在通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用 在移動通訊蓬勃發(fā)展的今天，石英晶體在通訊系統(tǒng)中的重要地位越來越突出。如：程控交換機、尋呼機、時鐘、模擬及數(shù)字電路移動電話、無繩電話、手機等。 三、在民用電子設(shè)備中的應(yīng)用更加廣泛 由于石英晶體元件的主要原材料人造石英晶體（又稱人造水晶）的大力發(fā)展，產(chǎn)量猛增，石英晶體元件生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)工藝的不斷更新改造，成本逐步下降，因而晶體元件在民用工業(yè)領(lǐng)域的用途不斷擴大，如：彩色電視機、石英鐘表、程控電話、無繩電話、汽車電話、錄像機、VCD、空調(diào)、電子玩具、各種遙控器等。A. 彩色電視機，石英晶體是在色彩頻率振蕩器上用來激勵色彩信道同道解調(diào)器，PAL制式4.433619MHz，NTS為3.579545MHz。B. 電視差轉(zhuǎn)機（75MHz以上）。C. 手機、傳呼機。D. 微處理機，由于數(shù)字化智能化的普及使微處理機在各方面得到廣泛應(yīng)用，如：工業(yè)、個人用電腦，由晶體提供一個頻率非常穩(wěn)定的時基。E. 無繩