MTRONPTI了解石英晶体领先同行

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随着计算机和外围设备、消费电子、电信和工业电子领域的每一项新技术进步，石英晶体器件的使用和应用都在增加。现在，越来越多的工程师负责为其特定应用指定晶体参数。伴随着这一新的责任，我们需要更好地理解晶体器件。本工程说明将试图在试图定义晶体的某些参数时揭开一些神秘面纱。

一、石英及其性质
石英晶体或谐振器由于压电效应而工作。石英的压电效应使其能够在同一表面变形或受到压力时在其表面上产生电荷。这种失真允许晶体以特定的谐振频率振动。相反，施加交流电压会产生相同类型的机械振动。

石英是自然界中发现的几种形式的二氧化硅（SiO2）之一；主要在巴西。开采天然石英成本高昂。因此，今天用于晶体制造的大多数石英都是“培养的”或合成的。培养石英是将石英的小籽与碱性溶液混合放入高压釜中制成的。该混合物经受高温（>400°C）和高压（30000 psi）。这导致石英溶解并重新形成石英薄片。这个过程大约需要30-45天。
石英由于其可预测的热、机械和电气特性，非常适合用作频率确定设备。石英晶振是为数不多的能够提供高Q（质量因子）的器件之一，这是用作定时标准的振荡器中精确频率控制所需的。

二、振动模式和方位角

晶体有许多不同的振动模式，如图1所示。贴片晶振晶体的频率-温度特性主要由从给定的石英棒切割石英晶片的方位角决定。这些特性取决于晶体内的参考方向。这些方向被称为“轴”。

石英有三个轴，即X轴、Y轴和Z轴。理想的晶体由六角棱镜组成，每端有六个小平面。见图2。从该棱镜上截取的横截面如图2所示。
Z轴被称为“光学”轴，当晶体绕Z轴旋转时，Z轴每120°重复一次其物理特性。X轴平行于将相邻棱镜面之间的角度平分的线。

这个轴被称为“电”轴。当施加机械压力时，电极化发生在这个方向上。XT切割晶体是由垂直于X轴的石英棒部分切割的石英片制成的。XT切割晶体通常被称为“音叉”晶体，广泛用于32.768kHz晶体，如M-tron MMCC-1、MMCC-2和SX1555。XT切割晶体的频率与温度的关系如图3所示（第143页）。

Y轴，也被称为“机械轴”，以直角穿过棱镜表面，并与X轴成直角。大多数Y轴晶体以“剪切模式”振动；低频CT和DT切割晶体的面剪切，以及高频AT和BT切割晶体的厚度剪切。

AT切割是Y轴组中最受欢迎的，因为它具有优异的频率与温度特性。AT切割是通过从Z轴以大约35°15'的角度切割石英棒而产生的。图4显示了AT切割晶体的频率-温度特性。

晶体谐振器通常是一个圆盘。圆盘的厚度（d）通过以下方程与基模频率（f）相关：

晶体的两侧都沉积有电极。这些电极由诸如银、金和铝的低电阻金属制成。电极结构允许向晶体施加电压以产生机械振动。该电极还提供了将晶体附着到晶体基底的安装结构上的手段。见图5。

因为晶体的频率与其厚度有关，所以在高频基本贴片晶振晶体的制造中存在限制。频率越高，晶体坯料就越薄。

制造这些高频晶体的损失通常源于研磨和安装过程中的断裂。这些损失导致较低的产率，并因此导致较高价格的晶体。

使用标准晶体设计和工艺可以获得高达35MHz的基频。对于高于35MHz的频率，建议使用泛音模式或基本倒置台面晶体。对于泛音模式，只能产生奇数次谐波或倍数。高达500MHz的基本倒置台面设计是可能的。

正常泛音模式为第3、第5、第7和第9。泛音晶体的实际振荡频率不是晶体基波的精确倍数。例如，60MHz的第三泛音晶体在物理上看起来像20MHz的晶体。主要区别在于某些电参数被优化，以便在泛音振荡器电路中使用时提供在60Mhz处发生的振荡频率。

当以设计频率振荡时，晶体也将表现出不想要的或杂散的模式。这些不需要的模式受到晶体表面光洁度、直径和厚度尺寸以及安装技术的影响。这些杂散模式以晶体设计模式的等效串联电阻表示，或以载波频率的dB为单位的能级表示。

通常，晶体被设计为在所需的工作频率下具有最佳的能量和性能，杂散能级被抑制到一定程度。如果设计者关心杂散模式，则在最终确定规范之前，应尽一切努力与晶体制造商协商。

三、 晶体等效电路、运动参数和质量因子

石英晶体可以通过图6所示的电路进行电气表示。运动电感（Lm）、运动电容（Cm）和串联电阻（R）形成4到7pF的串联谐振CIR阶。所有这些运动参数都可以使用晶体阻抗（CI）计测量。

通常，这些运动参数的实际值是设计频率的函数。在需要控制杂散响应的应用中，或者在需要“拉动”晶体频率的情况下，设计者可能需要指定所需的运动参数。晶体的串联谐振频率（Hz）由以下公式表示：

其中Lm在Henries中，Cm在Farads中

晶体的“Q”是共振时运动参数的质量因子。晶体的最大稳定性与晶体的“Q”直接相关。“Q”越高，带宽越小，电抗曲线越陡。见图6。“Q”可以表示为：

四、 串联和并联谐振

当晶体在串联谐振（fs）下工作时，见图7，它在振荡器电路中表现为电阻。晶体的阻抗在谐振时接近于零。对于用于串联谐振振荡器电路的晶体，需要指定空载电容。大多数高泛音（第五、第七和第九）晶体将被指定为串联谐振类型。

当晶体在并联或反谐振（fa）下工作时，见图7，它在振荡器电路中表现为电感。晶体的阻抗在这个反谐振点是最高的。在这种情况下，晶体对电路电抗值的变化。对于在并联谐振振荡器中工作的晶体，应始终指定晶体的负载容量，以确保正确的频率控制和操作。

五、晶体加载
为了使振荡器正常工作，晶体的负载是至关重要的。图8显示了一个典型的皮尔斯振荡器，包括一个HCMOS逆变器，用作有源线性器件。

这种电路通常与基模晶体一起使用。逆变器通过反馈电阻器RF被偏置到线性模式。根据操作频率的不同，该反馈电阻器的值通常在500K至2Mg欧姆的范围内。电阻器R1可以用于控制对晶体的驱动，并且通常具有大约等于电容器C2的电抗值的值。数值通常在200到2700欧姆之间。

在某些应用中，可能不需要此电阻器。仔细选择电容器C1和C2将确保晶体的最佳启动和负载条件。电容器值是关键的，因为振荡器电路依赖宽带噪声来启动振荡器。理想情况下，逆变器级将在其输入和输出之间提供180°相移。晶体和两个电容器提供额外的180°相位，允许将同相能量施加到反相器级的输入。这完成了反馈回路，并且只要逆变器能够提供大于1的电压增益，就可以发生振荡。

因为这个例子中的晶体是电容加载的，所以它被认为是并联谐振模式晶体。换句话说，当晶体被构建并调整到其最终频率时，它被校准为电容负载。并联谐振模式晶体在订购时需要具有指定的负载电容（CL）。给定情况下的近似晶体负载电路可以由以下公式确定：

CS是电路的杂散电容和逆变器的输入/输出电容。CS的值通常在4到8 pF的数量级上。如果图7中的晶体（Y）设计为与18 pF负载并联谐振，则电路的CL应表示晶体的18 pF负荷。

在这个例子中，通常C1和C2的值可以在27到32pF之间。从CL公式可以看出，C1和C2值的一个以上组合可以等于18pF。

在大多数情况下，可以使用C1和C2的相等值。在一些应用中，C1的最佳值大约为C2值的75%至90%

大多数晶体制造商都会指定18或20 pF的标准并联谐振负载电容。已经发现，当在类似于图7所示的电路中使用时，这些值可以提供良好的稳定性。如果可能，应避免CL值低于13 pF。

六、 拉拔性或微调灵敏度和公差
精确
随着CL值接近晶体的分流电容（C0）值，微调灵敏度（可拉性）增加，使晶体对振荡器电路的变化更加敏感。虽然可以提供用低CL值校准的晶体，但在晶体制造商和最终用户之间发生相关性问题的可能性增加。微调灵敏度的公式为：

晶体公差是在室温（+25°C）下测量晶体的准确度。贴片晶振晶体可以用给定的房间设置公差值来指定，例如在+25°C时为±25 ppm

如果CL变得很小，?f/pF就会增加。此外，随着运动电容（Cm）的增加，?f/pF也会增加。对于Cm为0.020pF、C0为4.5pF的10.000MHz晶体，10pF的CL将导致48ppm/pF的微调灵敏度。

如果负载电容（CL）的准确度为±0.5 pF，则该公差测量的准确度是±24 ppm。如果CL改变为20pF，微调灵敏度将为16ppm/pF。

负载精度为±0.5 pF时，测量精度为±8 ppm，而负载为10 pF时为±24 ppm。可以看出，在需要严格的房间设置公差值（<10ppm）的情况下，与用低CL值进行的测量相关可能会成为一个问题。

七、稳定性容差与频率容差
稳定性容差是在规定的工作温度范围内与晶体频率的最大允许偏差。稳定性公差通常以百万分之一（ppm）表示，并参考室温（+25°C）下晶体的频率。晶体的频率公差是在指定温度（通常为+25°C）下与标称频率的最大允许偏差。晶体的稳定性公差需要与工作温度范围一起指定。例如，晶体在-45°C至+85°C，并且在+25°C时具有±50 ppm的频率公差。

在这个例子中，晶体理论上可能表现出与标称值±100ppm的最坏情况频率偏差。使公差值更小将导致在工作温度下的总体最坏情况频率偏差更低。稳定性或频率公差有时表示为频率偏差的百分比，而不是百万分之一（ppm）。如果你记得.01%与100ppm相同，.005%与50ppm相同，0.001%与10ppm相同，那么转化率就不难了。

八、Crystal Drive级别
晶体的驱动电平是对给定电路中晶体所经历的功率耗散的测量。驱动电平以毫瓦（mW）或微瓦（µW）表示。最大功耗通常由晶体制造商规定。晶体的驱动电平是逆变器或有源器件以及包括晶体在内的所有其他外部组件的输入和输出电容的电抗的函数。
晶体制造商假设其中要使用晶体的振荡器电路具有足够的驱动能力以提供能量来启动晶体并维持振荡。

与图8所示的逆变器电路或多个微处理器/控制器芯片中的任何一个一起使用的大多数晶体的驱动规格范围为100至500µW。

如果振荡器在5伏的标称电源电压下工作，并且经过适当优化，则不太可能出现任何驱动问题。当使用音叉晶体（如M-tron MMCC-1、MMCC2和SX 1555）时，驱动电平更为关键。

这些晶体的额定最大驱动功率通常为1µW。使用这些类型的晶体的电路需要以这样的方式设计，以免过驱动晶体。过驱动的晶体可能会因过度功耗而断裂或损坏，或者频率可能变得不稳定，通常在泛音而非基本设计频率下工作。

九、 晶体等效串联电阻
等效串联电阻是石英晶体等效电路的电阻（R）元件（见图6）。该电阻表示晶体在串联谐振时的等效阻抗。
ESR值通常表示为最大值。ESR值随频率、操作模式、支架类型、晶体板尺寸、电极尺寸和安装结构而变化。用于测量ESR的标准仪器是晶体阻抗（CI）计。

值得注意的是，在给定频率下，at条晶体设计的ESR值通常高于标准的平晶（圆形坯料）设计。当利用AT条形晶体从通孔HC-49/U型晶体过渡到较小的表面安装型晶体时，可能需要考虑ESR值的差异。

在低频率下尤其如此。例如，M-tron 4.000 MHz MP-1（HC-49/U型）晶体的ESR值最大为75欧姆，而相同频率的M-tron SX2050表面安装晶体的ESR值最大为150欧姆。不同之处在于，MP-1使用较大的圆形晶体坯料设计，SX2050使用较小的at条形晶体设计。

当电阻值达到振荡器电路不能充分驱动晶体的点时，ESR值变得重要。这可能导致石英晶振晶体在不希望的模式下缓慢启动或操作。

十、晶体老化特性
随着时间的推移，晶体老化是一种自然现象。老化是晶体外部或内部环境变化的结果。晶体的大多数老化效应发生在晶体寿命的第一年内。晶体封装的密封程度是决定晶体老化程度的主要因素。

电阻焊HC49/U晶体封装的正常气密性水平至少为1 X 10-8个大气压（立方厘米/秒）。如果在制造过程中没有达到这个最低水平，晶体将经历环境大气和湿度的进入

这些外部元件进入晶体封装并污染晶体坯料表面。这种污染会导致晶体的标称频率发生变化。其他影响包括电阻变化和可能产生的杂散模式。

另一种可能导致过度老化的外部条件是晶体暴露在超过建议储存温度的高温下很长一段时间。在某些情况下，在各种焊接工艺中看到的高温可能会导致发生老化。

如果密封晶体封装的完整性降低，在进行洗涤和清洁过程时，湿气可能会进入晶体封装。由于晶体引线周围的玻璃-金属密封破裂或晶体焊接法兰损坏，可能会导致密封性损失。晶体单元的正确处理和储存是重要的，以防止损坏晶体封装，从而导致密封性损失

晶体的内部效应会对老化产生影响。随着时间的推移，晶体单元暴露在极端温度、冲击和振动下，会导致晶体内部产生脱气和颗粒污染。

这种情况的结果是，一些污染物进入了晶体坯料的表面。为了最大限度地减少晶体中的老化效应，可以做几件事。使用诸如HC-43/U型的冷焊晶体封装通常将改善长期老化特性。石英晶振晶体可以通过在一定的高温下燃烧一段时间来进行预老化。

晶体单元可以在控制颗粒材料含量和湿度水平的洁净室环境中组装。在密封晶体单元时，可以使用更高级别的“清洁”真空。在晶体封装内使用低脱气材料也将有助于老化特性。

HC-49/U电阻焊接封装通常将表现出比旧的HC-18/U焊料密封型晶体封装更好的老化特性。焊料密封封装固有地包含来自焊接过程的污染物，并且在经过某些回流焊接过程时可能失去密封性。用于所有实际用途的HC-18/U已被电阻焊HC-49/U组件所取代。