晶體和晶體振蕩器的規(guī)格和特性

本文介紹了晶體和晶體振蕩器的規(guī)格和特性，并有助于指定晶體和與晶體供應(yīng)商合作。本文介紹了晶體的重要性能特征，包括諧振頻率、諧振模式、負(fù)載電容、串聯(lián)電阻、保持器電容、運(yùn)動(dòng)電感和電容、溫度校準(zhǔn)和驅(qū)動(dòng)電平。

介紹

石英是一種壓電材料，當(dāng)放置在電場(chǎng)中時(shí)會(huì)移動(dòng)。石英晶體是一塊振動(dòng)的石英。石英晶體有多種形狀和尺寸可供選擇，并且性能規(guī)格范圍很廣。這些規(guī)格包括諧振頻率、諧振模式、負(fù)載電容、串聯(lián)電阻、保持電容、運(yùn)動(dòng)電感和電容、溫度校準(zhǔn)和驅(qū)動(dòng)電平。如果您了解這些參數(shù)以及它們與晶體性能的關(guān)系，您將成功地為您的應(yīng)用指定晶體。

石英晶體可以建模為與并聯(lián)電容器并聯(lián)的串聯(lián)LRC電路。圖1顯示了這個(gè)通用電路模型。

圖1.通用晶體模型（基本模式）。

現(xiàn)在，我們將詳細(xì)查看每個(gè)關(guān)鍵性能規(guī)格。

共振頻率

低于30MHz的晶體通常指定在基頻;高于 30MHz 時(shí)，它們通常指定為 3RD, 5千，甚至 7 個(gè)千泛音。（泛音僅在奇數(shù)倍處出現(xiàn)。因此，重要的是要知道振蕩器是在基波模式下還是在泛音模式下工作。

泛音在概念上類似于諧波，只是晶體振蕩泛音不是基波的精確整數(shù)倍。泛音選擇基于使用盡可能低的泛音，這將導(dǎo)致晶體的基頻低于30MHz。供應(yīng)商校準(zhǔn) 3RD泛音水晶在 3RD泛音，不是根本。例如，大多數(shù)晶體供應(yīng)商會(huì)自動(dòng)給你一個(gè)3RD泛音 50MHz 晶體（如果未指定基頻模式或泛音模式）。如果插入 50MHz，則 3RD泛音晶體 進(jìn)入專為基波模式晶體設(shè)計(jì)的振蕩器電路，您可能會(huì)有一個(gè)以 50/3 或 16.666MHz 運(yùn)行的振蕩器！如果您不知道晶體的頻率模式，請(qǐng)聯(lián)系振蕩器電路的設(shè)計(jì)者或制造商。

晶體供應(yīng)商提供泛音晶體，因?yàn)殡S著頻率的增加，石英材料變得越來(lái)越薄。15MHz至30MHz之間的晶體以基波或3RD泛音。從大約 30MHz 開(kāi)始，石英變得如此薄，以至于在制造過(guò)程中難以處理，晶體供應(yīng)商不喜歡處理薄石英?？紤]到薄石英涉及的額外制造工作，選擇泛音模式而不是基頻模式指定的晶體可以大大降低成本。

石英晶體加工的最新發(fā)明是倒臺(tái)面晶體，可以在更高的基波模式頻率下制造出更薄的結(jié)構(gòu)。倒置臺(tái)面晶體具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：它們可實(shí)現(xiàn)不太復(fù)雜的高頻振蕩器設(shè)計(jì);它們通過(guò)避免使用外部電感器/電容來(lái)從晶體中感應(yīng)出適當(dāng)?shù)姆阂粽袷幠Ｊ絹?lái)減少元件數(shù)量。.倒臺(tái)面晶體的制造商可以指定遠(yuǎn)高于30MHz的基波模式晶體。但請(qǐng)注意，并非所有晶體供應(yīng)商都可以提供倒置臺(tái)面技術(shù)。請(qǐng)記住，泛音模式晶體不能用于基波模式振蕩器，反之亦然。在這種情況下，泛音模式晶體可能會(huì)振蕩，但頻率不正確。

共振模式

晶體有兩種共振模式，并聯(lián)和串聯(lián)，所有晶體都表現(xiàn)出兩種共振模式。振蕩器電路針對(duì)一種模式或另一種模式進(jìn)行校準(zhǔn)，但不能同時(shí)校準(zhǔn)兩種模式。對(duì)于頻率精度要求不高于100ppm的應(yīng)用，諧振模式通常不是問(wèn)題。但是，如果您試圖將頻率（或時(shí)間）控制在100ppm以內(nèi)，則諧振模式規(guī)格變得很重要。晶體供應(yīng)商主要關(guān)心的是晶體在制造過(guò)程中以哪種模式進(jìn)行校準(zhǔn)。知道這些信息后，晶體供應(yīng)商隨后在客戶指定的串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振中設(shè)置一個(gè)振蕩器電路，并校準(zhǔn)晶體。圖2顯示了晶體阻抗行為與頻率的關(guān)系，以及每種諧振模式的相對(duì)位置。

圖2.晶體阻抗與頻率的關(guān)系。

負(fù)載電容

負(fù)載電容是使用并聯(lián)諧振振蕩模式時(shí)的重要規(guī)格。圖2顯示，晶體并聯(lián)諧振模式始終高于串聯(lián)諧振頻率，并以感抗為特征。在并聯(lián)諧振振蕩模式下，晶體的電感（運(yùn)動(dòng)電感）與振蕩器的負(fù)載電容并聯(lián)，從而形成LC諧振電路。該LC確定振蕩器頻率。如果您的振蕩器使用并行諧振，晶體供應(yīng)商必須知道振蕩器電路采用的負(fù)載電容。負(fù)載電容只是將晶體放置在振蕩器電路中時(shí)與晶體本身并聯(lián)的外部電路電容量。然后，晶體供應(yīng)商將確保您的晶體在工廠使用相同的負(fù)載電容進(jìn)行校準(zhǔn)。供應(yīng)商在負(fù)載電容方面非常靈活。詢問(wèn)他們可以指定什么負(fù)載電容范圍。振蕩器應(yīng)在晶體供應(yīng)商可接受的負(fù)載電容范圍內(nèi)。

對(duì)于串聯(lián)諧振晶體，可以忽略負(fù)載電容規(guī)格。這是正確的，因?yàn)榫w的運(yùn)動(dòng)電感和運(yùn)動(dòng)電容是決定振蕩頻率的唯一LC元件。

在圖2中，當(dāng)晶體模型的凈電感元件與晶體的內(nèi)部保持電容共振時(shí)，就會(huì)發(fā)生反諧振。反諧振不用于振蕩器設(shè)計(jì)。

串聯(lián)電阻

串聯(lián)電阻是與晶體本身的LC模型串聯(lián)的有效電阻元件（見(jiàn)圖1）。振蕩器電路可以容忍一定程度的串聯(lián)電阻，但不能太大。大多數(shù)晶體的典型范圍為25Ω至100Ω。晶體供應(yīng)商通常表征該電阻，并指定串聯(lián)電阻的典型值或最大值。過(guò)大的晶體串聯(lián)電阻會(huì)導(dǎo)致振蕩器啟動(dòng)失敗，因此必須在振蕩器設(shè)計(jì)中內(nèi)置足夠的裕量。

上述準(zhǔn)則的一個(gè)例外是32.768kHz手表晶體，其串聯(lián)電阻可以在幾十千歐姆。因此，對(duì)于此應(yīng)用，振蕩器電路必須適應(yīng)這種高串聯(lián)電阻。如果不解決這個(gè)問(wèn)題，將導(dǎo)致32.768kHz振蕩器不振蕩。您不應(yīng)期望使用專為 10MHz 晶體設(shè)計(jì)的振蕩器和 32.768kHz 晶體。這是行不通的。

保持器電容

所有晶體都有小電極，將晶體連接到封裝引腳。電極形成與晶體LC模型并聯(lián)的分流電容，如圖1所示。根據(jù)晶體的尺寸和封裝，支架電容可能會(huì)有所不同。典型值范圍為 2pF 至 6pF。一些振蕩器不能容忍過(guò)大的保持電容。在較高頻率下尤其如此，因?yàn)楸３制麟娙莸碾娍箷?huì)降低。確保晶體供應(yīng)商的支架電容在振蕩器的允許范圍內(nèi)。作為一般規(guī)則，最小化保持座電容（越小越好）。

運(yùn)動(dòng)電感和電容

運(yùn)動(dòng)電感和電容是晶體供應(yīng)商提供的規(guī)格。它們描述了構(gòu)成晶體電LC模型的L和C值。L與C的極端比值得注意，因?yàn)樗诠ぷ黝l率下會(huì)產(chǎn)生非常大的感性和容性電抗值。這些大值使晶體具有極高的“品質(zhì)因數(shù)”，也稱為“Q”。（Q是儲(chǔ)存的能量與耗散能量的比值，也稱為諧振頻率下的電抗與串聯(lián)電阻之比。對(duì)于 LRC 電路，Q = 1/R * 平方 （L/C）。（此推導(dǎo)超出了本文的范圍。高Q值是理想的，因?yàn)檩^高的Q值意味著振蕩器負(fù)載電容變化時(shí)的頻率偏移較小，而由于振蕩器電源電壓等其他外部因素引起的偏移較小。根據(jù)您的應(yīng)用，您的振蕩器電路可能需要也可能不需要運(yùn)動(dòng)電感和電容的規(guī)格。

溫度校準(zhǔn)

石英晶體的頻率隨溫度而變化。頻率變化的量取決于石英從原始晶體切割的角度。隨著頻率的容差變小，溫度范圍也隨之減小。AT切割晶體最常用于其在寬溫度范圍內(nèi)的最高穩(wěn)定性。

驅(qū)動(dòng)器級(jí)別

必須限制晶體中的功率耗散，否則石英晶體實(shí)際上會(huì)因過(guò)度的機(jī)械振動(dòng)而失效。由于非線性行為，晶體特性也隨驅(qū)動(dòng)電平而變化。分析振蕩器設(shè)計(jì)以確定晶體中的功耗。功耗是晶體電流平方乘以晶體串聯(lián)電阻的乘積。對(duì)于并聯(lián)諧振振蕩器，晶體電流等于負(fù)載電容兩端的RMS電壓除以負(fù)載電容在振蕩器頻率下的電抗。對(duì)于串聯(lián)諧振晶體，晶體電流是晶體兩端的RMS電壓除以晶體內(nèi)部串聯(lián)電阻。晶體制造商將為特定產(chǎn)品線指定最大驅(qū)動(dòng)級(jí)別。

總結(jié)意見(jiàn)

隨著晶體出現(xiàn)在更多使用微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品中，預(yù)計(jì)晶體的使用量將會(huì)增加。晶體技術(shù)也在向前發(fā)展，從而帶來(lái)更好的性能和更低的成本。目前，采用鎖相環(huán)（PLL）的器件可以低成本地獲得更高的頻率，例如MAX9471/MAX9472，從最小200MHz的石英晶體輸入輸出高達(dá)5MHz的信號(hào)。將光纖技術(shù)與MAX3610等PLL結(jié)合使用，可獲得212.5MHz的更高性能輸出信號(hào)，抖動(dòng)低至0.7ps有效值來(lái)自 26.56MHz 晶體輸入。

乍一看，晶體似乎是簡(jiǎn)單的元件，只需插入電路即可。然而，對(duì)實(shí)際電路模型的分析以及對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的理解揭示了它們的復(fù)雜性，并簡(jiǎn)化了將它們?cè)O(shè)計(jì)到下一個(gè)應(yīng)用中的過(guò)程。以下方便的晶體規(guī)格工作表將幫助您指定和訂購(gòu)石英晶體。

審核編輯：郭婷