企业培训_晶振知识培训

技术员知识培训 石英晶体常规技术指标 标称频率晶体元件规范所指定的频率 调整频差基准温度时 工作频率相对于标称频率的最大允许偏离 常用ppm 1 106 表示 温度频差在整个温度范围内工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离 常用ppm 1 106 表示 谐振电阻 Rr 晶体元件在串联谐振频率Fr时的电阻值 负载电容 CL 与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容 静态电容 C0 等效电路静态臂里的电容 它的大小主要取决于电极面积 晶片厚度和晶片加工工艺 它的常用计算公式为 C0 KC0 Ae F0 C常数KC0 电容常数 其取值与装架形式 晶片形状有关 Ae 电极面积 单位mm2 F0 标称频率 单位KHz C常数 常数 单位PF 动态电容 C1 等效电路中动态臂里的电容 它的大小主要取决于电极面积 另外还和晶片平行度 微调量的大小有关 它的常用公式为 C1 KC1 Ae F0 C常数KC1 电容常数 Ae 电极面积 单位mm2 F0 标称频率 单位KHz C常数 常数 单位PF 动态电感 L1 等效电路中动态臂里的电感 动态电感与动态电容是一对相关量 它的常用公式为 L1 1 2 F0 2C1 mh 串联谐振频率 Fr 晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个 负载谐振频率 FL 晶体元件与一负载电容串联或并联 其组合阻抗为电阻性的两个频率中的一个频率 品质因数 Q 品质因数又称机械Q值 它是反映谐振器性能好坏的重要参数 它与L1和C1有如下关系Q wL1 Rr 1 wRrC1如上式 R1越大 Q值越低 功率耗散越大 而且还会导致频率不稳定 反之Q值越高 频率越稳定 相对负载频率偏置 DL 晶体负载谐振频率相对于串联谐振频率的变化量DL FL Fr Fr 可由下式近似计算 DL C1 2 C0 CL 相对频率牵引范围 DL1 L2 晶体在两个固定负载间的频率变化量 D L1 L2 FL1 FL2 Fr C1 CL2 CL1 2 C0 CL1 C0 CL2 牵引灵敏度 TS 晶体频率在一固定负载下的变化率 TS C1 1000 2 C0 CL 2激励电平相关性 DLD 由于压电效应 激励电平强迫谐振子产生机械振荡 在这个过程中 加速度功转化为动能和弹性能 功耗转化为热 后者的转换是由于石英谐振子的内部和外部的摩擦所造成的 摩擦损耗与振动质点的速度有关 当震荡不再是线性的 或当石英振子内部或其表面及安装点的拉伸或应变 位移或加速度 达到临界时 摩擦损耗将增加 因而引起频率和电阻的变化 加工过程中造成DLD不良的主要原因 谐振子表面存在微粒污染 主要产生原因为生产环境不洁净或非法接触晶片表面 谐振子的机械损伤 主要产生原因为研磨过程中产生的划痕 电极中存在微粒或银球 主要产生原因为真空室不洁净和镀膜速率不合适 装架是电极接触不良 支架 电极和石英片之间存在机械应力 寄生响应所有晶体元件除了主响应 需要的频率 之外 还有其它的频率响应 减弱寄生响应的办法是改变晶片的几何尺寸 电极 以及晶片加工工艺 但是同时会改变晶体的动 静态参数 寄生响应的测量 SPDB用DB表示Fr的幅度与最大寄生幅度的差值 SPUR在最大寄生处的电阻 SPFR最小电阻寄生与谐振频率的距离 用Hz或ppm表示 加工难度大的指标 调整频差小于 5PPM 温度范围宽频差窄的 有Q值要求的 49S晶体矮壳的 有C0 C1 TS的 晶体测量设备 目前晶体测试仪组成方式多为网络分析仪 或厂家自制网络分析卡 加专用软件 测试功能强 几乎所有的晶体参数全能测出 目前世界晶体行业公认的设备厂商有美国S A公司 香港科研公司 他们的设备准确度高 稳定性好 应用面广 美国S A公司测试设备 250A350A350B250B 香港科研公司测试设备 KH1200KH1102KH3020KH3288 石英晶体应用过程中应注意的问题 防止对晶体破坏石英晶体的心脏部件为石英晶片 它随晶体频率的增加而变薄 因此对于中 高频晶体在使用 运输过程中应避免发生剧烈冲击和碰撞 以防因晶片破裂而造成产品失效 石英晶体是靠导电胶连接基座和晶片的 导电胶的主要成分是银粉和环氧树脂 环氧树脂在高温下会失效 因此建议石英晶体应避免在150 以上长时间存放 规定工作温度范围及频率允许偏差工程师可能只规定室温下的频差 对于在整个工作温度范围内要求给定频差的应用 还应该规定整个工作温度范围的频差 规定这种频差时 应该考虑设备引起温升的容限 规定整个工作范围内频差的基本方法有两种 规定整个温度范围内的总频差 如 20 70 范围总频差为 50ppm 这种方法一般用于具有较宽频碴而不采用频率微调的场合 规定下列部分的频差 a 基准温度下的频差为 20ppm b 在 20 70 整个温度范围内 相对于基准温度实际频率的偏差 20ppm 这种方法一般用于具有较严频差的 要靠频率牵引来消除基准温度下频差的场合 负载电容和频率牵引在许多应用中 都是用一负载电抗元件来牵引晶体频率的 这对于调整制造公差 在锁相环回路中以及调频应用中可能是必要的 在绝大多数应用中 这个负载电抗元件是容性的 负载谐振频率 FL 与谐振频率 Fr 的相对频率成为 负载谐振频率偏置 DL 用下式计算相对负载谐振频率偏移 DL FL Fr Fr C1 2 C0 CL 在许多应用中 用可变电容器作为负载电抗元件来调节频率 这个负载电抗元件规定值之间所得到的相对频率范围成为 相对牵引范围 它可用下式计算 D L1 L2 FL1 FL2 Fr C1 CL2 CL1 2 C0 CL1 C0 CL2 在规定负载电容下的牵引灵敏度 TS 是一个对设计师十分有用的参数 它定义为负载电容增量变化引起的相对频率增量变化 它通常以ppm pF表示 可通过下式计算 TS C1 2 C0 CL 应用电路中对晶体负载电容的估算在实际应用中 晶体负载电容与电路中负载电抗的匹配非常重要 如晶体负载电容与电路负载电抗不相匹配 要得到准确的输出频率是很困难的 除非电路中存在一个变容量很大的可调电容器 在设计时 粗略估算晶体负载电容是必要的 如图所示 负载电容简单近似计算如下 CL C1C2 C1 C2 C杂散这里C杂散指晶体元件周边电路的分布电容 资料介绍PCB电路板的分布电容多为5 6pF 晶体振荡器 晶体振荡器定义 Package石英振荡器 SPXO 不施以温度控制及温度补偿的石英振荡器 频率温度特性依靠石英振荡晶体本身的稳定性 温度补偿石英振荡器 TCXO 附加温度补偿回路 减少其频率因周围温度变动而变化之石英振荡器 电压控制石英振荡器 VCXO 控制外来的电压 使输出频率能够变化或调变的石英振荡器 恒温槽式石英振荡器 OCXO 以恒温槽保持石英振荡器或石英振荡晶体在一定温度 控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器 除了以上四种振荡器外 随着PLL Digital Memory技术的应用 其他功能的多元化石英振荡器也快速增加 时钟振荡器 CLOCKOSCILLATORS 标称频率 指定的频率中心值 频率偏差 全温度范围内频率偏移量 温度范围 器件经历的环境温度 输入电压 工作电压 输入电流 工作电流 起振时间 指从加电开始计时到晶振振荡到标称频率 含频差 所用的时间 上升时间 Tr 0 电平上升到 1 电平的时间下降时间 Tf 1 电平下降到 0 电平的时间占空比 DUTY DUTY Th T 100 TYPICAL 45 55 输入电流 测试电路 SMD5x7晶振 频率范围 1 100M工作温度范围与总频差 0 70 20PPM 40 85 25PPM起振时间 5mSMAX工作电压 3 3V 5V上升 下降时间 10M 10nSMAX 10M 5nSMAX DIP型晶振 全尺寸 半尺寸 频率范围 1 83 3M工作温度范围与总频差 0 70 10PPM 20 70 20PPM工作电压 3 3V 5V起振时间 5mSMAX上升 下降时间 10M 10nSMAX 10M 5nSMAX SMD5x7VCXO 频率范围 1 36M工作温度范围与总频差 0 70 20PPM工作电压 3 3V压控电压 0 3V 3 0V牵引范围 100PPM线性度 10 MAX起振时间 5mSMAX上升 下降时间 10M 10nSMAX 10M 5nSMAX DIPVCXO 全尺寸 频率范围 1 27M工作温度范围与总频差 0 70 20PPM工作电压 3 3V压控电压 0 3V 3 0V牵引范围 100PPM线性度 10 MAX起振时间 5mSMAX上升 下降时间 10M 10nSMAX 10M 5nSMAX 机械和气候实验 可靠性实验 密封试验B试验设备 氦质谱仪试验方法 氦气加压0 5Mpa 120分钟判定标准 漏率应小于1 10 Pa m sec自由跌落试验设备 跌落试验箱试验方法 高度75cm 30mm厚硬木板 跌落3次 判定标准 频率变化值应小于 5PPM 谐振电阻变化值应小于15 3Ohm 振动试验设备 振动试验台 实验设备 电磁振动台试验方法 频率10 55Hz 振幅1 5mm 55 500Hz 20g三个垂直方向 每个方向30分钟 判定标准 频率变化值应小于 5PPM 谐振电阻变化值应小于15 3Ohm 引出端强度试验设备 自制夹具 拉力计 试验方法 按GB T12273 1996及下列规定进行试验严酷等级 拉力0 5kg 弯曲力0 25kg 判定标准 无引线松动及玻璃珠破裂 引线无断裂及明显伤痕 可焊性试验设备 可焊性试验台试验方法 235 5 浸渍时间2 0 5秒 10倍放大镜目测 判定标准 引线浸润良好 新锡层面积占被试面积的95 以上 稳态湿热试验设备 湿热试验箱试验方法 40 2 相对湿度93 放置500小时 判定标准 频率变化值应小于 5PPM 谐振电阻变化值应小于15 3Ohm 绝缘电阻应大于500M 老化试验设备 晶体老化试验箱试验方法 8