晶振行業(yè)必備術(shù)語手冊：工程師必收藏(下)

yxcyangxing

在電子電路設(shè)計中，晶振的每一項參數(shù)都與產(chǎn)品命運息息相關(guān)——哪怕只差0.1ppm，也可能讓整板“翻車”�？此谱罨�礎(chǔ)的術(shù)語，正是硬件工程師每天必須跨越的隱形門檻。
由于內(nèi)容較長將分為上下兩篇文章解釋，本文是下篇，介紹內(nèi)容有：

· 共振頻率
· 晶振術(shù)語


＞ 諧振頻率
在產(chǎn)品描述中，有三對諧振頻率，即：“串聯(lián)諧振頻率”和“并聯(lián)諧振頻率”(fs和fp)“諧振頻率”和“反諧振”頻率，(fr和fa),和“最大和最小總電納定位”頻率，(fm和fn)。由圖9所示的集總等效電路參數(shù)均可得到。上述三對諧振頻率的定義和關(guān)系可以用圖10所示的復(fù)導(dǎo)納圖清楚地表示。


(圖10)諧振復(fù)數(shù)導(dǎo)納


石英諧振器的關(guān)鍵頻率參數(shù)可通過導(dǎo)納和阻抗分析確定：
串聯(lián)諧振頻率（fs）：輸入電導(dǎo)（導(dǎo)納實部）最大時對應(yīng)的頻率。此時，晶振阻抗達(dá)到最小值，且為純電阻性。
并聯(lián)諧振頻率（fp）：輸入電阻（阻抗實部）最大時對應(yīng)的頻率。此時，晶振阻抗達(dá)到最大值，且為純電阻性。
諧振頻率（fr）與反諧振頻率（fa）：電納（導(dǎo)納虛部）為零時的兩個頻率，是實際應(yīng)用中的核心參數(shù)。
在等效電路中：
動態(tài)參數(shù)：動電容（C1）、動電感（L1）決定諧振特性。
靜態(tài)電容（C0）：并聯(lián)支路中的寄生電容，影響高頻響應(yīng)。


＞ 術(shù)語

1）標(biāo)稱頻率及其公差或校準(zhǔn)精度
晶體諧振器的頻率以MHz或kHz標(biāo)稱，指在特定負(fù)載電容下，指在匹配振蕩電路中應(yīng)得的“正常頻率”。在25°C基準(zhǔn)溫度下，實測頻率與標(biāo)稱值存在最大允許偏差，以百分比(%)或百萬分率(ppm)給出。


2）基音和泛音
振動厚度切變振動是AT切角主要存在的振動形式。電極間的高次諧波振動與基頻振動共存。由于兩個電極的極性相反，壓電石英晶體只能激發(fā)奇數(shù)次諧波振動。(圖11)

(圖11)晶體諧振腔只能激發(fā)奇數(shù)次諧波振動


3）負(fù)載電容
負(fù)載電容CL是從諧振器兩端觀察電路時振蕩器所展示的負(fù)載。負(fù)載電容形式上與諧振器串聯(lián)或并聯(lián)。在并聯(lián)負(fù)載情況下，CL的存在會影響并聯(lián)諧振頻率，并聯(lián)諧振頻率fL由。公式如下所示。
fl=fs√1+C1/(C0+CL)-------(3)


4）頻率-溫度穩(wěn)定性
頻率-溫度穩(wěn)定性指以25°C為基準(zhǔn)，隨工作溫度變化而產(chǎn)生的頻率偏移（以%或ppm計）。其曲線反映偏移量與溫度偏差的對應(yīng)關(guān)系，受切割角度、振動模式、晶片尺寸以及工作溫區(qū)、負(fù)載電容和驅(qū)動功率共同決定。


5）等效串聯(lián)電阻(ESR)
串聯(lián)支路中出現(xiàn)的電阻R1(圖9)可以在串聯(lián)諧振頻率下測量，此時C1和11的影響相互抵消，R1表示晶體單元和封裝的機械性損失。


6）運動電容C1和運動電感L1
C1與L1這兩個參數(shù)與串聯(lián)諧振頻率fs相關(guān)，如圖10所示，在諧振器設(shè)計和表征中fs是一個非常確定的參數(shù)。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了C1的值，L1可以由下方公式推導(dǎo)得出。與振蕩電路中通常使用的電容相比，C1的值非常小，可以由晶片和電極的材料和幾何參數(shù)來評估。


7）靜態(tài)電容C0(在支路中)
C0是一個靜態(tài)電容，無論晶體是否工作都存在，C0的值可以在很低的頻率(小于或約1.0MHz)測得，計算公式如下，其中A為電極面積，d為切片厚度，e為相應(yīng)晶體切片的介電常數(shù)。在實際應(yīng)用中，C0不僅包括電鍍石英裸片的靜態(tài)電容，還包括導(dǎo)電結(jié)合材料的電容和封裝外殼本身的電容。


8）驅(qū)動功率
諧振器的驅(qū)動功率是以納瓦、微瓦或毫瓦為單位的功率消耗量。運行功率是保證正常啟動并保持穩(wěn)態(tài)振蕩的合適功率范圍。驅(qū)動功率應(yīng)設(shè)置在最低功率，避免長期運行帶來的頻率漂移和晶體損壞。晶體尺寸越小，其最大可承受的驅(qū)動功率也越低，多數(shù)場合下建議驅(qū)動功率為10 µW–100 µW。


9）質(zhì)量因子-Q
作為諧振器，質(zhì)量因子Q值是一個非常重要的參數(shù)。在規(guī)格中，指定了空載和有負(fù)載情況下的Q值。空載Q或機械Q可以表示為，R1是出現(xiàn)在串聯(lián)支路的電阻。負(fù)載值取決于負(fù)載電路。


10）牽引率
在并聯(lián)負(fù)載電容振蕩器中，振蕩頻率與負(fù)載電容CL有關(guān)，如圖8和圖12所示。頻率變化(單位ppm)作為負(fù)載電容變化(單位pF)的函數(shù)是固定的。在某些應(yīng)用中，負(fù)載諧振頻率的變化是強制性的(例如VCXO),需要強制指定牽引率。

(圖12)頻率變化vs負(fù)載電容


11）老化
老化指在規(guī)定時段內(nèi)工作頻率的相對偏移，以ppm計，呈指數(shù)衰減。首周變化最快，隨后趨緩。常用加速方法：85°C存放1個月，或25°C存放1年。老化速率受封裝方式、密封完整性、工藝、材料、工作溫度與頻率共同影響。


12）存儲溫度范圍
存儲溫度范圍指晶體斷電時可長期承受的極限低溫與高溫。只要全程處于該范圍，恢復(fù)工作并在額定溫度區(qū)間內(nèi)運行時，所有指標(biāo)仍應(yīng)符合規(guī)格書要求。


13）負(fù)阻-R
負(fù)電阻是振蕩電路在諧振器端子處呈現(xiàn)的等效電阻。起振的必要條件之一，是放大器提供足夠增益以抵消諧振腔的損耗；對諧振器而言，負(fù)載須呈現(xiàn)足夠大的負(fù)電阻來補償其自身電阻。