石英晶体应用与可靠性

石英晶体 英 体 应用与可靠性
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Arthur Arth rL Lee Technical Director
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Hong Kong X’tals Limited.

什么是石英晶振？？？
• 生产工程师 生产工程师： – 当你的电子板出现问题，它是第 当你的 子板 现问题 是第 一个被替代的元件！ • 采购人员： – 是一种很难找到”可靠”供应商的 元件！ • 研发工程人员： – 一个难以理解的小黑盒！
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什么是石英晶振？
晶振是一个压电元件，即： 能量在电能与机械能状态下每 秒转换百万次
所以，压电元件的規格特性要求不同於其他纯电气或 纯机械的元件 : •电阻—纯电气 •螺钉—纯机械
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HC-49U石英晶体的结构
外壳 壳 两面银电极 机械能 Mechanical Energy Stress and Motion 石英晶片（白片） 導电银胶 压力和及运动 压力和及 动
底座
注入干净、 注入干净 干燥的惰性 气体
电能 Electrical Energy Voltage & Current 电压及电流
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石英晶体的(简化)理論模型
L1, , C1 : 机械能—应力及运动 电能—电压及电流
Co : 静电容
RS ( ESR ) : 能量耗损
Rs : (ESR) E R Equivalent i l tS Series i R Resistance it 串联电阻 Co : (Shunt Capacitance) Electrode Capacitance静电容 C1 : (Cm) Motional Capacitance 动态电容
L1 : (Lm) Motional Inductance 动态电感
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晶体 抗特性 晶体阻抗特性
Rs，Co，C1和L1会提供关于晶体阻抗跟频率的关系， 此关系可用数学计算 但其有效范围 只是在工作 此关系可用数学计算。但其有效范围, 频率的几百ppm附近。
Crystal Impedence vs Frequency
J part of Crystal Impedence
晶体阻抗的J部份
晶体阻抗对位频率曲线
Frequency
频率
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如何标定晶体規格? 如何标定晶体規格
• 首先需了解你电子线路的特性; 从而 标定晶体的电子规格。 标定晶体的电子规格 • 然後再加上产品的环境要求, 从而 标定晶体。 • 再而考虑加上晶体有关的可靠性規 格。
对不起，不是拷貝老規格
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电子線路与产品要求
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简单的 英振荡 结构 简单的石英振荡器结构
振荡器有3个主要部份
Gain=A Ph Phase= p
Amplifier
:
放大器, 放大器 相位补偿网络和 晶体 晶体仅为整个振荡器 环路中 三个部份中的其中一 部份.
Phase compensation network
Crystal
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振荡 的等效模式 振荡器的等效模式
Gain=A Phase= p
Load Negative Capacitance Resistance CL
Αβ > 1
Drive D i L Level l= Vx * Ix
Ix
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Vx
RL
XLe= - XCL
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线路基本特性

(简化)

放大器和相位补偿网络的特性( 简化):•增益&相移->负阻>FR FL (•相移

-> FR 或FL (及CL)•电压振幅及相移-> 激励电平•小波幅增益

-> 起功特性

如何测量电路参数

如何测量电路参数?

相当困难!!

晶体是在高阻抗及小电容下操作的.因此,插入任何测试探针都将影响它的操作环境: •示波器探头(2PF~20PF):太大•矢量电压表探头(50Ohm):负荷太大

建议將你的PCB板送交晶体供应商测试

•建议將你的PCB板送交晶体供应商测试.

负阻抗及最大ESR

振荡线路的负阻是线路能维持正常工作時(正常振荡波幅), 晶体的可容許最大阻抗。不过，在以下情况下负阻抗可能有变化:的可容許最大阻抗不过在以下情况下负阻抗可能有变化•电源变化

•温度变化

•元件批量的误差

•启动

•晶体的电阻可能随激励电平及温度的变化而变化。

因此，通常情况下，建议标定晶体的最大电阻等于负阻抗的1/3(到1/10)。

激励电的定义激励电平的定义

字面上的定义,很简单,

激励电平（工作状态）=能量在晶体中的消耗=电压Vx与电流Ix的矢量积

•类似电阻的功率,但电阻的标定功率是指最大可容许功率,对晶体而言标定最大的激励电平是毫无意义的

的激励电平是毫无意义的.•对电阻你只会要求多少%的精度，而不会要求多少个ppm (parts per million 百万分之几)的精度。

•

对晶体你要求多少个ppm 的精度就必须标明工作状态的激励电平(功率)

对晶体，你要求多少个ppm 的精度，就必须标明工作状态的激励电平(功率)工作状态的激励电平其取决于线路,而不是晶体.

晶体生产厂家在此激励电平下测试晶体•晶体生产厂家在此激励电平下测试晶体.•

电流测试会影响相角(CL).

建议将你的PCB板交晶体供应商测量.