石英(SiO2)由硅和氧兩種元素組成。石英晶體用于產(chǎn)生控制和管理所有通訊系統(tǒng)的頻率,是大多數(shù)鐘、手表、計算機和微處理機中的重要元件,也是現(xiàn)代電子技術不可或缺的一部分。
根據(jù)不同用途,將石英晶棒按照特定的晶向切割成晶片,即可制成石英晶體。圖2和圖3給出了振動切型、頻率變化及其特性。頻率和溫度特性
a.AT切型晶體
石英晶片的一種特殊切割角度,其頻率的溫度特性非常優(yōu)異,見圖1
b.不同切型晶體的頻率特性,見圖2
晶體的切割角度及其振動模式
見圖2和圖3
石英晶體元器件的等效電路
一個產(chǎn)生主諧振頻率的石英晶體可以表達為一個等效電路--- 一般包括一個由電感、電容和電阻組成的串聯(lián)電路和一個與這個串聯(lián)電路并聯(lián)的電容,如圖所示。
在這里,C0為是靜態(tài)電容,包括電極間的靜態(tài)電容和端子間的雜散電容。
將石英晶體元器件視為一個電子和機械的振動系統(tǒng)時,L1和C1 就是它的等效常數(shù)。由于這兩個常數(shù)取決于切型、切角、晶片尺寸和電極結構等因素,并且可以反復調(diào)整,故而石英晶體元器件的精度可以做得很高。
R1表示振蕩損耗,受切割方式、裝聯(lián)方式、晶片形狀和晶片尺寸的控制。
L1是動態(tài)電感,C1是動態(tài)電容,R1是串聯(lián)電阻。
石英晶體元器件的等效電路
L1:動態(tài)電感
C1:動態(tài)電容
R1:諧振電阻,等效串聯(lián)電阻
C0:靜態(tài)電容
組成上述等效電路的L1,C1,R1和C0都是有關聯(lián)的,可以表達為下列方程式。
下面是有關石英晶體特性的幾個方程式。
專業(yè)術語 ★ 標稱頻率 該頻率特指晶體元器件的性能指標,表示為MHz或KHz。 ★ 頻率偏差 標稱頻率在一定溫度(一般是25℃)下的允許偏差,表示為百分數(shù)(%)或百萬分之幾(ppm)。 ★ 頻率穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指標稱頻率在一定溫度范圍內(nèi)的允許偏差,規(guī)定在25℃下,此項偏差為0,以標稱頻率的百分數(shù)(%)或百萬分之幾(ppm)來表示。如前所述,這個參數(shù)與石英晶片的切角密切相關。 ★ 工作溫度范圍 石英晶體元器件在規(guī)定的誤差內(nèi)工作的溫度范圍。 ★ 儲存溫度范圍 晶體在非工作狀態(tài)下保持標準特性的溫度范圍。 ★ 負載電容(CL) 任何外部電容一旦與石英晶體元器件串聯(lián),即會成為其諧振頻率一個決定因素。負載電容變化時,頻率也會隨之改變。因此,在電路中使用時,經(jīng)常會以標準負載電容來微調(diào)頻率至期望值。 ★ 靜態(tài)電容(C0) 電極之間的靜態(tài)電容和安裝系統(tǒng)中的雜散電容。 ★ 等效串聯(lián)電阻(ESR,Rr,R1) 晶體在諧振頻率下的電阻值,ESR表示晶體的阻抗,單位為歐姆。 ★ 激勵電平 流過晶體的激勵電流的一項功能。激勵電平是晶體中功率損耗的數(shù)值。最大功率是大多數(shù)功率器件在保證正常電氣參數(shù)的情況下,維持工作所消耗的功率,單位為mW或uW。激勵電平應維持在確保石英晶體正常起振和穩(wěn)定振蕩所需要的最低值,以避免年老化特性不良和晶體損傷。 ★ 泛音晶體 晶體通常在基頻下工作,但對電路做輕微調(diào)整后,即可在第三、第五、第七、第九倍頻下工作。為了保證泛音晶體在特定的倍頻下振動,其切型角度、平行度和表面光潔度經(jīng)過了特殊修正。 ★ 絕緣電阻 引線之間或引線和殼體之間的電阻。 ★ 老化 工作頻率在特定時間范圍內(nèi)的變化量,一般表達為最大值,單位是每年頻率變化量的百萬分之幾(ppm/年)。頻率隨時間而變化的原因有很多,如:密封特性和完整性、制造工藝、材料類型、工作溫度和頻率。 CL=(C1×C2)/(C1+C2)+雜散電容 雜散電容可以在2pF-6pF之間變化 注意 |
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當應用于CMOS振蕩電路時,為了將激勵電平保持在特定的數(shù)值范圍內(nèi),獲得穩(wěn)定的振蕩,電路圖中的Rd是必不可少的。 -
C1和C2必須在10-31pF范圍內(nèi),如果C1 小于10pF或C2大于30pF,則振蕩很容易受到電路不同狀況的影響,會使激勵電平增加或負電阻減少,導致了振蕩頻率不穩(wěn)定。 -
晶體振蕩電路布線時,應盡可能短一些。 -
電路和接地部分之間的雜散電容應當減小。 -
晶體振蕩電路部分與其它電路部分要避免橋接。 -
超聲波清洗會使晶體性能退化。 |