石英晶体的规格和特性参数详解

晶体的重要的电气参数包括谐振频率、谐振模式、负载电容、等效电阻、静态电容、动态电感和电容、工作温度和驱动功率。

石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，对应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。这些规格包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联电阻、保持电容、运动电感和电容、温度校准和驱动电平。

 

石英晶片经过被电极，上架、封装即成为压电谐振器。当外加电场的交变频率与石英晶片的固有频率相接近,且外加电压的角频率ω等于石英机械振动的固有谐振角频率ω时(取决于石英晶体的几何尺寸和切型),晶片产生机械谐振，弹性振动通过压电效应与回路相耦合,其效果等于由Lm，Cm，Rm的串联臂和C0并联组成的谐振回路。此时机械振动的幅度最大，相应地晶体表面所产生的电荷量最大，外电路中电流最大。

C0：Shunt Capacitance表示晶片与涂敷银层构成的静电容。

Lm：Motional Lnductance是晶体振荡时机械振动惯性的等效电感。

Cm：Motional Capacitance 是晶体谐振时晶片弹性的等效电容。

Rm：Resistance 用于等效晶片振动时的磨擦损耗。

图1显示了这个通用电路模型。

图1.通用晶体模型（基本模式）

 

现在，我们将详细解析每个关键性参数。

共振频率：

低于30MHz的晶体通常属于基频;高于 30MHz 时，它们通常指定为 3次泛音, 5次泛音，甚至 7 次泛音。（泛音仅在奇数倍处出现。因此，重要的是要知道振荡器是在基波模式下还是在泛音模式下工作。）

泛音在概念上类似于谐波，只是晶体振荡泛音不是基波的精确整数倍。泛音选择基于使用尽可能低的泛音，这将导致晶体的基频低于30MHz。

晶体供应商提供泛音晶体，是因为随着频率的增加，石英材料变得越来越薄。15MHz至30MHz之间的晶体以基波或3次泛音。从大约 30MHz 开始，石英变得如此薄，以至于在制造过程中难以处理，会因为太薄而不愿意处理。考虑到薄石英涉及的额外制造工作，选择泛音模式而不是基频模式指定的晶体可以大大降低成本。

 

石英晶体加工的最新发明是倒台面晶体（HFF-XTAL）是一种高频基本模式晶体单元，它利用由光刻技术实现的倒置台式形状AT- 截止，因此该晶体单元具有良好的温度、老化和冲击稳定性。可以在更高的基波模式频率下制造出更薄的结构。倒置台面晶体具有两个显著的优点：它们可实现不太复杂的高频振荡器设计;它们通过避免使用外部电感器/电容来从晶体中感应出适当的泛音振荡模式来减少元件数量。倒台面晶体的制造商可以指定远高于30MHz的基波模式晶体。但请注意，并非所有晶体供应商都可以提供倒置台面技术。请记住，泛音模式晶体不能用于基波模式振荡器，反之亦然。在这种情况下，泛音模式晶体可能会振荡，但频率不正确。

共振模式：

 

图2.石英晶振的频域电抗特性 

其中Fs的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注：它是Lm、Cm和Rm支路的谐振频率)，其表达式如下：
 

Fa是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率(译注：它是整个等效电路的谐振频率)，其表达式如下：

在Fs到Fa的区域即通常所谓的：“并联谐振区”(图中的阴影部分)，在这一区域晶振工作在并联谐振状态(译注：该区域就是晶振的正常工作区域，Fa－Fs就是晶振的带宽。带宽越窄，晶振品质因素越高，振荡频率越稳定)。在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180 °的相移。其频率FP(或者叫FL:负载频率)表达式如下：

负载电容：

负载电容CL：负载电容CL是指连接到晶振上的终端电容。CL值取决于外部电容器CL1和CL2，刷电路板上的杂散电容(Cs)。CL值由由晶振制造商给出。保证振荡频率精度，主要取决于振荡电路的负载电容与给定的电容值相同，保证振荡频率稳定度主要取决于负载电容保持不变。外部电容器CL1和CL2可用来调整CL，使之达到晶振制造商的标定值。

 

对于串联谐振晶体，可以忽略负载电容规格。这是正确的，因为晶体的运动电感和运动电容是决定振荡频率的唯一LC元件。

在图2中，当晶体模型的净电感元件与晶体的内部保持电容共振时，就会发生反谐振。反谐振不用于振荡器设计。

 

串联电阻：

串联电阻是与晶体本身的LC模型串联的有效电阻元件（见图1）。振荡器电路可以容忍一定程度的串联电阻，但不能太大。大多数晶体的典型范围为25Ω至100Ω。晶体供应商通常表征该电阻，并指定串联电阻的典型值或最大值。过大的晶体串联电阻会导致振荡器启动失败，因此必须在振荡器设计中内置足够的裕量。

上述准则的一个例外是32.768kHz手表晶体，其串联电阻可以在几十千欧姆。因此，对于此应用，振荡器电路必须适应这种高串联电阻。如果不解决这个问题，将导致32.768kHz振荡器不振荡。您不应期望使用专为 10MHz 晶体设计的方式来评估 32.768kHz 晶体。这显然是行不通的。

 

静态电容：

所有晶体都有小电极，将晶体连接到封装引脚。电极形成与晶体LC模型并联的分流电容，如图1所示。根据晶体的尺寸和封装，分布电容可能会有所不同。典型值范围为 2pF 至 6pF。一些振荡器不能容忍过大的静态电容。在较高频率下尤其如此，因为保持器电容的电抗会降低。确保晶体供应商的支架电容在振荡器的允许范围内。作为一般规则，最小化静态电容（越小越好）。

 

动态电感和电容：

动态电感和电容是晶体供应商提供的规格。它们描述了构成晶体电LC模型的L和C值。L与C的极端比值得注意，因为它在工作频率下会产生非常大的感性和容性电抗值。这些大值使晶体具有极高的“品质因数”，也称为“Q”。（Q是储存的能量与耗散能量的比值，也称为谐振频率下的电抗与串联电阻之比。对于 LRC 电路，Q = 1/R * 平方 （L/C）。（此推导超出了本文的范围。高Q值是理想的，因为较高的Q值意味着振荡器负载电容变化时的频率偏移较小，而由于振荡器电源电压等其他外部因素引起的偏移较小。振荡器电路可能需要也可能不需要运动电感和电容的规格。

 

温度特性：

石英晶体的频率随温度而变化。频率变化的量取决于石英从原始晶体切割的角度。随着频率的温度频差变小，温度范围也随之减小。AT切割晶体最常用于其在宽温度范围内的最高稳定性。

 

驱动功率级别：

必须限制晶体中的功率耗散，否则石英晶体实际上会因过度的机械振动而失效。由于非线性行为，晶体特性也随驱动电平而变化。分析振荡器设计以确定晶体中的功耗。功耗是晶体电流平方乘以晶体串联电阻的乘积。对于并联谐振振荡器，晶体电流等于负载电容两端的RMS电压除以负载电容在振荡器频率下的电抗。对于串联谐振晶体，晶体电流是晶体两端的RMS电压除以晶体内部串联电阻。

 

随着晶体出现在更多使用微控制器、数字信号处理器和数据转换器的产品中，预计晶体的使用量将会增加。晶体技术也在向前发展，从而带来更好的性能和更低的成本。