設(shè)計Quartz Crystal時有哪些參數(shù)要考慮
來源：http://m.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年03月30
具有獨特的頻率振蕩和壓電效應(yīng)的石英晶體諧振器，是比較常用的一種電子元器件，你幾乎可以在任何一種產(chǎn)品內(nèi)部的PCB板上見到它，而且Quartz Crystal的外形多變，有金屬面SMD型，黑色陶瓷面SMD型，圓柱插件，49S插件，插件彎腳等封裝。這些不同的外形跟它們的生產(chǎn)方式和技術(shù)有很大的關(guān)系，晶體制造商在確認(rèn)好方案后，就要開始設(shè)計了。電子零件本身就是比較復(fù)制的東西，設(shè)計一款石英晶體要考慮的很多，規(guī)格參數(shù)是重中之重，而且這些參數(shù)還很多，本文的目的就是介紹晶體設(shè)計的主要參數(shù)。
可移動性：可移動性是指晶體單元的頻率變化，從自然諧振頻率（Fr）到負(fù)載諧振頻率（FL），或從一個負(fù)載諧振頻率到另一個負(fù)載諧振頻率。參見圖C.給定晶體單元在給定負(fù)載電容值下表現(xiàn)出的可牽展性量是并聯(lián)電容（Co）和晶體單元的運動電容（C1）的函數(shù)。
阻抗/電抗曲線：晶體具有兩個零相位頻率，如圖D所示。兩者中的第一個或更低的是串聯(lián)諧振頻率，表示為（s）。此時，晶體在電路中呈現(xiàn)電阻，阻抗最小，電流最大。隨著頻率增加超過串聯(lián)諧振點，晶體在電路中看起來是電感性的。當(dāng)運動電感和并聯(lián)電容的電抗抵消時，時鐘晶體處于反共振頻率，表示為（fa）。此時，阻抗最大化并且電流最小化。
場振動：有兩種基本類型的振動，周期性和隨機性。通常，場中的振動產(chǎn)生復(fù)雜的運動波，其可以影響石英晶體的輸出。由于振動引起的大多數(shù)故障是機械放大共振的直接結(jié)果，因為諧振區(qū)域達到更高的加速度水平，導(dǎo)致更高的損壞可能性。應(yīng)使用原型對所有影響振動的因素進行全面評估。應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，部件位置，安裝和封裝以最大化穩(wěn)定性。請記住，水晶的設(shè)計可以承受正常的操縱振動;增加的耐用性可能會對穩(wěn)定性或老化等理想品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。
品質(zhì)因數(shù)（Q）：晶體單元的“Q”值是單位相對質(zhì)量或振蕩效率的量度。晶體單元的最大可達到的穩(wěn)定性取決于“Q”值。在圖D中，串聯(lián)和并聯(lián)頻率之間的間隔稱為帶寬。帶寬越小，“Q”值越高，電抗斜率越陡。外部電路元件的電抗變化對高“Q”晶體的影響較?。?ldquo;可拉性”較小），因此這種部件更穩(wěn)定。
串聯(lián)與并聯(lián)：“串聯(lián)”諧振晶體適用于Oscillator反饋環(huán)路中不含無功元件的電路。“并聯(lián)”諧振晶體用于在振蕩器反饋環(huán)路中包含無功元件（通常是電容器）的電路中。這種電路取決于電抗元件和晶體的組合，以實現(xiàn)在特定頻率下啟動和保持振蕩所需的相移。兩個這樣的電路的基本描述如下所示。
負(fù)載電容：這是指晶體外部的電容，包含在振蕩器電路的反饋環(huán)路中。如果應(yīng)用需要“并聯(lián)”諧振晶體，則必須指定負(fù)載電容的值。如果應(yīng)用需要“串聯(lián)”諧振晶體，則負(fù)載電容不是一個因素，無需指定。負(fù)載電容是在PCB上的晶體端子上測量或計算的電容量。
頻率容差：頻率容差是指在特定溫度（通常為+25°C）下與標(biāo)稱值的允許偏差，單位為百萬分率（PPM）。
老化：老化是指石英水晶振子單元隨時間經(jīng)歷的頻率累積變化。影響老化的最常見因素包括驅(qū)動水平，內(nèi)部污染，晶體表面變化，環(huán)境溫度，電線疲勞和摩擦磨損。通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計可以最大限度地減少所有這些問題，從而實現(xiàn)低工作溫度，最小驅(qū)動電平和靜態(tài)預(yù)老化。
如果可拉性是設(shè)計的一個因素，建議與我們的工程師合作;在制造期間，通過改變晶體參數(shù)可以在一定程度上控制帶寬。標(biāo)準(zhǔn)晶體的拉伸極限的近似值可以從以下公式獲得：
確切的限制還取決于晶體的Q值以及相關(guān)的雜散電容。通過改進的晶體制造和在石英晶體外部增加電容或電感，可拉性大約加倍。如果已知Co和C1，則可以使用以下公式獲得兩個電容之間的拉入ppm。
要獲得關(guān)于已知負(fù)載電容的每pF的AVERGE牽引，請使用以下公式。
等效電路：等效電路，如圖B所示，是在自然諧振頻率下工作時石英水晶諧振器單元的電氣描述。CO或并聯(lián)電容表示晶體電極的電容加上支架引線的電容。R1，C1和L1組成晶體的“運動臂”，稱為運動參數(shù)。運動電感（L1）代表晶體單元的振動質(zhì)量。運動電容（C1）代表石英的彈性，電阻（R1）代表石英內(nèi)發(fā)生的體積損失。
負(fù)載電容的計算：如果電路配置如圖A所示并聯(lián)版本，負(fù)載電容可通過以下公式計算：
C雜散包括晶體1和晶體2引腳上的微處理器芯片的引腳到輸入和輸出電容，以及任何寄生電容。根據(jù)經(jīng)驗，可假設(shè)Cstray等于5.0pF。因此，如果CL1=CL2=50pF，則CL=30pF。
微調(diào)靈敏度：微調(diào)靈敏度是負(fù)載電容值增量變化的增量分?jǐn)?shù)頻率變化的量度。修剪靈敏度（S）以PPM/pF表示，并通過以下等式計算：
焊接特性：可以使用多種方法將ECS晶振產(chǎn)品焊接到PCB和基板上：
•波浪或雙波
•熱空氣或?qū)α髁鲃?br /> •氣相回流
•紅外回流
•氣泡焊接浸入
•其他（激光等）
由于材料的天然特性，我們的一些石英晶體無法承受熱沖擊。極端溫度會導(dǎo)致從外殼內(nèi)部鍍錫（Sn）到達其熔點，在石英元件上沉積焊料。這可能導(dǎo)致組件以較低頻率振蕩或完全失效。在其他情況下，焊接接觸會降低，導(dǎo)致開路。通過預(yù)熱元件和電路板，并遵循上面提到的推薦的焊接工藝時間/溫度曲線，可以避免這些問題。有用的水晶方程：
沖擊特性：雖然晶體設(shè)計用于處理正常的沖擊，但在現(xiàn)場可能會發(fā)生沖擊脈沖（如半正弦，方波，鋸齒和復(fù)雜組合）。由于晶體相對脆弱，因此應(yīng)將它們與設(shè)備隔離，以盡量減少沖擊損壞。但是，避免過度規(guī)范，因為材料的彈性和設(shè)備提供的隔離程度可以降低沖擊的破壞性潛力。
平時經(jīng)常接觸的頻率，頻率容差，負(fù)載電容，工作溫度等，也在晶體的設(shè)計范圍之內(nèi)，該資料由深圳市金洛鑫電子有限公司整理，越來越多的產(chǎn)品工程師，為了更好的使用晶振而去了解相關(guān)的基礎(chǔ)知識，和技術(shù)資料等。
可移動性：可移動性是指晶體單元的頻率變化，從自然諧振頻率（Fr）到負(fù)載諧振頻率（FL），或從一個負(fù)載諧振頻率到另一個負(fù)載諧振頻率。參見圖C.給定晶體單元在給定負(fù)載電容值下表現(xiàn)出的可牽展性量是并聯(lián)電容（Co）和晶體單元的運動電容（C1）的函數(shù)。
場振動：有兩種基本類型的振動，周期性和隨機性。通常，場中的振動產(chǎn)生復(fù)雜的運動波，其可以影響石英晶體的輸出。由于振動引起的大多數(shù)故障是機械放大共振的直接結(jié)果，因為諧振區(qū)域達到更高的加速度水平，導(dǎo)致更高的損壞可能性。應(yīng)使用原型對所有影響振動的因素進行全面評估。應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，部件位置，安裝和封裝以最大化穩(wěn)定性。請記住，水晶的設(shè)計可以承受正常的操縱振動;增加的耐用性可能會對穩(wěn)定性或老化等理想品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。
品質(zhì)因數(shù)（Q）：晶體單元的“Q”值是單位相對質(zhì)量或振蕩效率的量度。晶體單元的最大可達到的穩(wěn)定性取決于“Q”值。在圖D中，串聯(lián)和并聯(lián)頻率之間的間隔稱為帶寬。帶寬越小，“Q”值越高，電抗斜率越陡。外部電路元件的電抗變化對高“Q”晶體的影響較?。?ldquo;可拉性”較小），因此這種部件更穩(wěn)定。
頻率容差：頻率容差是指在特定溫度（通常為+25°C）下與標(biāo)稱值的允許偏差，單位為百萬分率（PPM）。
老化：老化是指石英水晶振子單元隨時間經(jīng)歷的頻率累積變化。影響老化的最常見因素包括驅(qū)動水平，內(nèi)部污染，晶體表面變化，環(huán)境溫度，電線疲勞和摩擦磨損。通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計可以最大限度地減少所有這些問題，從而實現(xiàn)低工作溫度，最小驅(qū)動電平和靜態(tài)預(yù)老化。
如果可拉性是設(shè)計的一個因素，建議與我們的工程師合作;在制造期間，通過改變晶體參數(shù)可以在一定程度上控制帶寬。標(biāo)準(zhǔn)晶體的拉伸極限的近似值可以從以下公式獲得：
微調(diào)靈敏度：微調(diào)靈敏度是負(fù)載電容值增量變化的增量分?jǐn)?shù)頻率變化的量度。修剪靈敏度（S）以PPM/pF表示，并通過以下等式計算：
其中（Ct）是Co和CL的總和
表面貼裝器件的焊料回流：SMD晶振單元的安裝通常通過焊料回流來實現(xiàn)，如圖E所示，通過紅外線加熱或通過氣相。下圖描繪了兩種方法中每種方法的推薦時間和溫度。
•波浪或雙波
•熱空氣或?qū)α髁鲃?br /> •氣相回流
•紅外回流
•氣泡焊接浸入
•其他（激光等）
平時經(jīng)常接觸的頻率，頻率容差，負(fù)載電容，工作溫度等，也在晶體的設(shè)計范圍之內(nèi)，該資料由深圳市金洛鑫電子有限公司整理，越來越多的產(chǎn)品工程師，為了更好的使用晶振而去了解相關(guān)的基礎(chǔ)知識，和技術(shù)資料等。
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