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深度技术交流:石英晶体频率元器件工作原理、等效电路及核心特性

06/10 11:34
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石英晶体频率元器件按照工作原理,可以分为两大类型,石英晶体谐振器无源晶振) 和 石英晶体振荡器有源晶振

石英晶体谐振器作为被动元器件,实际使用时需要设计外部负载电容线路,以保证谐振器产品可以正常稳定工作;

石英晶体振荡器,内置IC芯片,集成了原谐振器的外部线路,只需要提供额定的电压,就可以得到稳定的输出频率。

石英晶体结构

石英晶体谐振器和振荡器的结构 。

谐振器 或 振荡器产品,主要组成是由 陶瓷基座、二氧化硅水晶片、有机硅树脂导电胶、金属上盖组成,振荡器在谐振器产品基础上,增加了内置IC芯片,通过金线键合方式将IC芯片与陶瓷基座连接

(热敏晶体和音叉晶体结构 )

石英晶体震荡器 主要参数 - IC 的选型

(振荡器IC选型 )

(石英晶体振荡器波形 )

TSX工作原理:

在普通无源贴片晶振的基础上增加了一颗热敏电阻,当晶体外部温度发生变化,热敏电阻充当温度传感器作用根据热敏电阻特

性,随着温度发生变化热敏电阻自身阻抗值同时产生变化,外部搭配的线路IC根据热敏电阻阻值的变动值,驱动可变电容同步

调整电容值,形成在特定的温度下电容值会有指定的变化量规律。

由于晶体TS电性能的频率牵引力影响,在电容值变化后频率也会发生固定的变化,从而形成了温度补偿效果,使晶体的温度曲

线(三次曲线)形成一条直线,从而达到不同温度范围内FL补偿的效果。

(热敏晶体和温补振荡器工作原理图解)

XTAL 、TSX、TCXO的区别

XTAL普通无源谐振器,随外部温度变化晶体输出频率会产生较大变化,应用最广泛

TSX只是在普通无源贴片晶体的基础上增加了一颗热敏电阻,所以热敏晶体需要搭

配外部具有调整温度频偏功能的IC,才能达到在不同温度下的频率调整。给晶体补

偿的写入软件也需要客户端自己完成。

TCXO内部由石英晶体和集成IC芯片组成,IC芯片内部集成了热敏电阻,可变电容

等元器件。整个温度补偿的过程可在出厂前由晶体厂家写入完成,客户拿到晶体后

可直接使用,无需外部线路搭配。

石英晶体最大激励功率

1. 什么是激励功率?

晶片的材质是二氧化硅,具有[ 压电效应 ] ,外部电路给晶振施加激励功率,受振荡电场的作用,晶片产生振动

并和线路本身的振荡形成谐振,加载到晶片端 使 晶片 发生 [ 压电效应 ]的功率 就是 晶振的 激励功率

2. 激励功率过大有什么问题?

晶片自身有多种振动模式,类如 表面振动、弯曲振动、厚度振动 等,MHz的产品 利用的是 厚度振动模式(AT)

如果激励功率过大,就会触发晶片的其他振动模式,各种振动模式之间同时触发,互相干扰,就会导致晶振停振。

3. 最高激励功率是什么决定的?

晶体激励功率受 晶片尺寸,晶片频点,加工工艺 等因素影响

相同频点,晶片尺寸越大,可以承受的激励功率则越大,相同尺寸,频率点越高,可以承受的激励功率则越大。

(石英晶体温度曲线和温度频差 )

以SMD AT切割为例,由于切割角度影响,产品在受热初期,频率下降,当受热温度达到70度左右时,出现拐点,频率转变为上

升,随着温度越高,频率上升幅度越大, 产品在低温下,初期频率上升,在-20度后,频率开始下降,温度越低下降幅度越大。

十、

(晶体温度曲线和温度频差 )

石英晶体年老化率

1. 什么是晶体的老化 ?

晶体年老化特性是指,晶体在封装后,随着内应力释放以及晶片表面镀层氧化过程 导致的频率变化过程。

2. 老化如何进行控制? 老化是否会一直持续,导致产品频率超差 ?

首先,为了防止晶片表面镀层持续氧化,晶体在封焊时是在高真空环境下进行,封焊后产品内部处于真空状态;

其次,晶体在生产过程中会通过高温放置的工艺,加速产品应力释放和镀层氧化过程,提前进入最终稳定状态;

最后,针对年老化有更高要求的产品,通过改变镀膜材质,加强老化工艺等方法,提升产品老化能力;

根据晶体老化特性,频率进入稳定后不再发生变化,因此晶体理论上没有使用寿命。

总结:石英晶体使用注意事项

1、石英晶体 谐振器:设计初期,需要进行晶体匹配测试,确认外部线路设计合理性,避免因匹配误差 造成 批量异常。

2.晶体选型时 请参考晶体规格书中工作温度范围及频差;当温度超出规格书范围时,会造成严重频率变化。

3、晶体内部导电胶内部含有树脂成分,在使用过程中需要避免反复使用热风枪焊接,以免导电胶受高热后发生变质。

4、晶体的抗物理冲击,是依靠导电胶自身的强度来进行支撑,如果客户端使用环境对物理冲击有特殊要求,比如PCBA超声波焊接等,需提前告知以便进行特殊设计。

5、谐振器 功能脚为 1# 3# pin, 使用过程中 没有方向区分要求;正贴,反贴 对产品电性能,可靠性 没有影响。

6、晶体基座材质为陶瓷,运输,储存,使用过程中 ,需要避免晶体受到剧烈的 碰撞,跌落,挤压,弯曲 以免陶瓷基座受力开裂。

7、有源振荡器脚位有功能区分,手动焊接时 需要区分产品方向。如果出现贴反并通电工作,该产品需要废弃处理。

8、有源振荡器 产品内部集成了IC ,运输,储存,使用过程中 需要做防静电保护处理。

合肥铭华商电子有限公司

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铭华商销售团队深耕晶振行业二十余年,同时提供频率补偿方案(如调整负载电容或频率中心值)以适应不同应用场景。

铭华商销售团队深耕晶振行业二十余年,同时提供频率补偿方案(如调整负载电容或频率中心值)以适应不同应用场景。收起

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