石英晶體的規格和特性參數詳解

晶體的重要的電氣參數包括諧振頻率、諧振模式、負載電容、等效電阻、靜態電容、動態電感和電容、工作溫度和驅動功率。

石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應，從物理學中知道，若在晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產生機械變形；反之，若在極板間施加機械力，對應的方向上產生電場，這種現象稱為壓電效應。這些規格包括諧振頻率、諧振模式、負載電容、串聯電阻、保持電容、運動電感和電容、溫度校準和驅動電平。

石英晶片經過被電極，上架、封裝即成為壓電諧振器。當外加電場的交變頻率與石英晶片的固有頻率相接近,且外加電壓的角頻率ω等于石英機械振動的固有諧振角頻率ω時(取決于石英晶體的幾何尺寸和切型),晶片產生機械諧振，彈性振動通過壓電效應與回路相耦合,其效果等于由Lm，Cm，Rm的串聯臂和C0并聯組成的諧振回路。此時機械振動的幅度最大，相應地晶體表面所產生的電荷量最大，外電路中電流最大。

C0：Shunt Capacitance表示晶片與涂敷銀層構成的靜電容。

Lm：Motional Lnductance是晶體振蕩時機械振動慣性的等效電感。

Cm：Motional Capacitance 是晶體諧振時晶片彈性的等效電容。

Rm：Resistance 用于等效晶片振動時的磨擦損耗。

圖1顯示了這個通用電路模型。

圖1.通用晶體模型（基本模式）

現在，我們將詳細解析每個關鍵性參數。

共振頻率：

低于30MHz的晶體通常屬于基頻;高于 30MHz 時，它們通常指定為 3次泛音, 5次泛音，甚至 7次泛音。（泛音僅在奇數倍處出現。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倍。泛音選擇基于使用盡可能低的泛音，這將導致晶體的基頻低于30MHz。

晶體供應商提供泛音晶體，是因為隨著頻率的增加，石英材料變得越來越薄。15MHz至30MHz之間的晶體以基波或3次泛音。從大約 30MHz 開始，石英變得如此薄，以至于在制造過程中難以處理，會因為太薄而不愿意處理?？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明是倒臺面晶體（HFF-XTAL）是一種高頻基本模式晶體單元，它利用由光刻技術實現的倒置臺式形狀AT- 截止，因此該晶體單元具有良好的溫度、老化和沖擊穩定性?？梢栽诟叩幕Ｊ筋l率下制造出更薄的結構。倒置臺面晶體具有兩個顯著的優點：它們可實現不太復雜的高頻振蕩器設計;它們通過避免使用外部電感器/電容來從晶體中感應出適當的泛音振蕩模式來減少元件數量。倒臺面晶體的制造商可以指定遠高于30MHz的基波模式晶體。但請注意，并非所有晶體供應商都可以提供倒置臺面技術。請記住，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振蕩，但頻率不正確。

共振模式：

圖2.石英晶振的頻域電抗特性

其中Fs的是當電抗Z=0時的串聯諧頻率(譯注：它是Lm、Cm和Rm支路的諧振頻率)，其表達式如下：

Fa是當電抗Z趨于無窮大時的并聯諧振頻率(譯注：它是整個等效電路的諧振頻率)，其表達式如下：

在Fs到Fa的區域即通常所謂的：“并聯諧振區”(圖中的陰影部分)，在這一區域晶振工作在并聯諧振狀態(譯注：該區域就是晶振的正常工作區域，Fa－Fs就是晶振的帶寬。帶寬越窄，晶振品質因素越高，振蕩頻率越穩定)。在此區域晶振呈電感特性，從而帶來了相當于180 °的相移。其頻率FP(或者叫FL:負載頻率)表達式如下：

負載電容：

負載電容CL：負載電容CL是指連接到晶振上的終端電容。CL值取決于外部電容器CL1和CL2，刷電路板上的雜散電容(Cs)。CL值由由晶振制造商給出。保證振蕩頻率精度，主要取決于振蕩電路的負載電容與給定的電容值相同，保證振蕩頻率穩定度主要取決于負載電容保持不變。外部電容器CL1和CL2可用來調整CL，使之達到晶振制造商的標定值。

對于串聯諧振晶體，可以忽略負載電容規格。這是正確的，因為晶體的運動電感和運動電容是決定振蕩頻率的唯一LC元件。

在圖2中，當晶體模型的凈電感元件與晶體的內部保持電容共振時，就會發生反諧振。反諧振不用于振蕩器設計。

串聯電阻：

串聯電阻是與晶體本身的LC模型串聯的有效電阻元件（見圖1）。振蕩器電路可以容忍一定程度的串聯電阻，但不能太大。大多數晶體的典型范圍為25Ω至100Ω。晶體供應商通常表征該電阻，并指定串聯電阻的典型值或最大值。過大的晶體串聯電阻會導致振蕩器啟動失敗，因此必須在振蕩器設計中內置足夠的裕量。

上述準則的一個例外是32.768kHz手表晶體，其串聯電阻可以在幾十千歐姆。因此，對于此應用，振蕩器電路必須適應這種高串聯電阻。如果不解決這個問題，將導致32.768kHz振蕩器不振蕩。您不應期望使用專為 10MHz 晶體設計的方式來評估32.768kHz 晶體。這顯然是行不通的。

靜態電容：

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模型并聯的分流電容，如圖1所示。根據晶體的尺寸和封裝，分布電容可能會有所不同。典型值范圍為 2pF 至 6pF。一些振蕩器不能容忍過大的靜態電容。在較高頻率下尤其如此，因為保持器電容的電抗會降低。確保晶體供應商的支架電容在振蕩器的允許范圍內。作為一般規則，最小化靜態電容（越小越好）。

動態電感和電容：

動態電感和電容是晶體供應商提供的規格。它們描述了構成晶體電LC模型的L和C值。L與C的極端比值得注意，因為它在工作頻率下會產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“品質因數”，也稱為“Q”。（Q是儲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電阻之比。對于 LRC 電路，Q = 1/R * 平方 （L/C）。（此推導超出了本文的范圍。高Q值是理想的，因為較高的Q值意味著振蕩器負載電容變化時的頻率偏移較小，而由于振蕩器電源電壓等其他外部因素引起的偏移較小。振蕩器電路可能需要也可能不需要運動電感和電容的規格。

溫度特性：

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。隨著頻率的溫度頻差變小，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的最高穩定性。

驅動功率級別：

必須限制晶體中的功率耗散，否則石英晶體實際上會因過度的機械振動而失效。由于非線性行為，晶體特性也隨驅動電平而變化。分析振蕩器設計以確定晶體中的功耗。功耗是晶體電流平方乘以晶體串聯電阻的乘積。對于并聯諧振振蕩器，晶體電流等于負載電容兩端的RMS電壓除以負載電容在振蕩器頻率下的電抗。對于串聯諧振晶體，晶體電流是晶體兩端的RMS電壓除以晶體內部串聯電阻。

隨著晶體出現在更多使用微控制器、數字信號處理器和數據轉換器的產品中，預計晶體的使用量將會增加。晶體技術也在向前發展，從而帶來更好的性能和更低的成本。