如何計(jì)算并聯(lián)諧振電路中使用的晶振負(fù)載電容值

什么是晶振的負(fù)載電容(CL)？

CL代表負(fù)載電容.晶振的負(fù)載電容定義為從晶體的兩個(gè)端子測(cè)量或計(jì)算的振蕩器電路中存在的總電容.當(dāng)組裝在振蕩器電路中時(shí)晶體的輸出頻率是CL的函數(shù).為了使石英晶體單元具有盡可能接近規(guī)定的輸出頻率,重要的是精確地測(cè)量電路中的實(shí)際CL.

假設(shè)石英晶體諧振器的負(fù)載電容(CL)額定值為16pF.如何計(jì)算并聯(lián)諧振電路中使用的晶振負(fù)載電容值？

振蕩器的輸出頻率是CL的函數(shù).如果晶振晶體的額定CL為16pF,則指定的頻率針對(duì)振蕩器電路中的16LF的CL進(jìn)行優(yōu)化.

   即使設(shè)備的主電源關(guān)閉,實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）IC也必須保持時(shí)間.由于RTC通常從輔助電池或超級(jí)電容器電源獲取能量,因此對(duì)大多數(shù)時(shí)鐘設(shè)計(jì)來說,功耗管理是關(guān)鍵.

   作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC,石英晶體的領(lǐng)導(dǎo)者,Maxim設(shè)計(jì)了多種器件,以滿足日益嚴(yán)苛的RTC市場(chǎng)的需求.這些產(chǎn)品提供完全集成,極其精確和溫度補(bǔ)償?shù)?/span>RTC解決方案.RTC的大部分精度取決于整個(gè)溫度下的晶振晶體精度.因此,晶體特性的溫度補(bǔ)償允許這些器件具有更高的精度.

   本應(yīng)用筆記介紹了Maxim多種類型的DS323貼片晶振功能比較（包括DS3231,DS3232,DS3234,DS32B35和DS32C35）之間的差異,以幫助客戶確定適合其應(yīng)用的解決方案.并且還討論了DS3231M晶振,它是一種內(nèi)置微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的硅諧振器,而不是石英晶體.

  晶體單元由高穩(wěn)定性壓電石英晶體制成,起到機(jī)械諧振器的作用.晶體單元可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),這對(duì)IC和LSI的運(yùn)行至關(guān)重要,可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性,無需調(diào)整的性能和小型化.

  村田擁有世界領(lǐng)先的生產(chǎn)技術(shù),在生產(chǎn)電子元器件方面具有領(lǐng)導(dǎo)地位.一直以來村田所生產(chǎn)的陶瓷晶體,陶瓷諧振器都是工廠企業(yè)所指定的品牌,隨著市場(chǎng)發(fā)展需求,石英貼片晶振變得無處不在,用于各行各業(yè),村田看準(zhǔn)時(shí)機(jī)研發(fā)生產(chǎn)石英晶振晶體,憑借自身豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及專業(yè)知識(shí),取得可觀成績(jī),獲得廣大用戶認(rèn)可. 以下是MuRata Crystal生產(chǎn)晶振晶體單元的工廠,包括所在地區(qū).

時(shí)鐘振蕩器通常使用印刷在陶瓷基板上的厚膜電路.分離元件焊接或環(huán)氧樹脂到電路.如果焊接,必須使用高溫焊料完成后,以防止組件在時(shí)鐘焊接到PC板時(shí)松動(dòng).集成電路是通常以DIE形式和引線鍵合,或采用SOIC型封裝并焊接到位.一直以來大多數(shù)石英晶體,有源晶體振蕩器使用高頻切割（AT,BT或SC）,晶體毛坯（磁盤）安裝在基板上沒有將晶體密封在二級(jí)包裝中.水晶安裝硬件包括實(shí)心金屬阻止彈簧到薄金屬基座.對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序,硬件有一些“給予”似乎最適合機(jī)械沖擊,機(jī)械振動(dòng)和熱沖擊.基材安裝在金屬集管上,并有一個(gè)電阻焊接的金屬蓋.

其他更復(fù)雜的振蕩器,如TCXO溫補(bǔ)晶體振蕩器,VCXO壓控晶體振蕩器和OCXO恒溫控制晶體振蕩器,使用了許多不同的技術(shù).雖然最近一些較簡(jiǎn)單的VCXO和TCXO已經(jīng)使用了專用IC和其他IC高科技技術(shù)將它們小型化為與時(shí)鐘類似的封裝,大多數(shù)仍然使用通用印刷電路板,含鉛IC和密封水晶.它們是一個(gè)相當(dāng)大的金屬底座,帶有金屬蓋擰緊或焊接到底座上.密封整個(gè)封裝并不重要,因?yàn)榫w內(nèi)部密封.時(shí)鐘晶體振蕩器有兩種封裝尺寸;一個(gè)是混合DIP,行間距為0.300英寸14引腳兼容,另外是相同的,除了它是8引腳兼容.通常只有4個(gè)角銷因?yàn)殡姎饣驒C(jī)械目的不需要其他引腳（見圖11）.

高頻低功耗晶振晶體的使用需求量在不斷增加,特別是對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的無線應(yīng)用.我們?cè)絹碓蕉嗟匕l(fā)現(xiàn)設(shè)備彼此通信并通過無線電交換數(shù)據(jù),例如通過藍(lán)牙,ZigBee或ISM.所有這些無線電標(biāo)準(zhǔn)都使用三位數(shù)兆赫茲或千兆赫茲范圍內(nèi)的頻段.為了產(chǎn)生這些RF頻率,器件需要非常精確的參考石英晶振晶體,其頻率范圍從大約20到52兆赫茲.

無線應(yīng)用對(duì)于晶振的要求不僅超薄小并且具備高精度.具有如此高諧振頻率的石英晶體必須是超薄的.石英越厚,其頻率越低,不太適合無線應(yīng)用.

需要一系列生產(chǎn)步驟來生產(chǎn)足夠薄的石英晶片.原始晶體塊逐漸分成更小的單元.最小的單元最終是“空白”,鋸切,研磨,蝕刻和拋光,以產(chǎn)生正確的厚度和特別光滑的表面.例如,為了制造共振頻率為40MHZ的石英坯料,石英晶片的厚度必須僅為41.5微米.

石英晶振晶體,貼片晶振,晶體振蕩器被設(shè)計(jì)為具有耐高溫,耐惡劣環(huán)境的一種元件,但是在運(yùn)輸,儲(chǔ)存以及生產(chǎn)過程中還是要小心,注意避免晶振晶體的惡化,甚至內(nèi)置晶體破壞零件.下面億金電子給大家介紹了解晶體振蕩器的運(yùn)行條件注意事項(xiàng).

①電源電壓和極性

晶體振蕩器應(yīng)在規(guī)定的電源電壓和電壓范圍內(nèi)工作目錄或數(shù)據(jù)表中給出的公差.電源電壓以外的操作規(guī)范可能導(dǎo)致晶體振蕩器的間歇或完全失效.

極性反接可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備電氣不可逆損壞（死機(jī)）和/或機(jī)械地（燃燒）.因此,請(qǐng)?jiān)诖_認(rèn)正確的電壓極性之前給有源晶體振蕩器設(shè)備加電.

②電源電壓限制

在任何情況下,請(qǐng)向有源晶體振蕩器施加電源電壓電平超過絕對(duì)最大值,通常最大為7VDC.對(duì)于大多數(shù)（H）CMOSIC.另請(qǐng)注意,電源電壓低于額定電壓的70~80％可能會(huì)導(dǎo)致電壓下降振蕩器運(yùn)行不穩(wěn)定.

為獲得最佳性能和穩(wěn)定性,振蕩器可由單獨(dú)穩(wěn)定的電源供電電壓軌,以避免數(shù)字中通常存在的電源電壓噪聲干擾電路.

活動(dòng)下降（也稱為頻率擾動(dòng)）可能難以在晶振晶體中發(fā)現(xiàn).但是,單次活動(dòng)下降可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重問題,包括GPS或?qū)椣到y(tǒng).想象一下,發(fā)射導(dǎo)彈然后失去對(duì)導(dǎo)航的控制.或者獲得非常不準(zhǔn)確的飛機(jī)GPS速度讀數(shù).這些（以及許多其他問題）可能是由于未能發(fā)現(xiàn)晶體中的頻率下降.重要的是要了解什么是活動(dòng)下降以及如何避免它們?cè)诰w中發(fā)生......

在晶體共振期間可以激發(fā)許多不同類型的模式.其中之一是“耦合模式”,通常稱為“活動(dòng)下降”.當(dāng)2個(gè)或更多激發(fā)模式/諧波以相同速率脈沖時(shí),發(fā)生活動(dòng)驟降.具有相應(yīng)諧波的許多模式可以在特定溫度下耦合到主模式并破壞石英晶體的性能.性能下降是術(shù)語“活動(dòng)下降”的起源.

活動(dòng)下降也會(huì)導(dǎo)致某些溫度范圍內(nèi)的頻率變化.在某些情況下,這種晶振頻率偏差會(huì)導(dǎo)致振蕩一起停止.這些活動(dòng)傾角在較小尺寸的石英晶體上更常見.這些活動(dòng)下降可能會(huì)在信號(hào)處理過程中產(chǎn)生負(fù)面影響.例如,由于活動(dòng)下降引起的頻率尖峰可能會(huì)導(dǎo)致GPS接收器出現(xiàn)兩個(gè)主要問題：

1.頻率尖峰可被錯(cuò)誤地解釋為GPS的速度變化.2.強(qiáng)烈的頻率尖峰可導(dǎo)致衛(wèi)星完全斷開GPS連接.

石英晶振,晶體振蕩器被廣泛用于各行各業(yè),而石英晶體振蕩器是低相位噪聲的高級(jí)選擇,并且在電路設(shè)計(jì)中增加了頻率穩(wěn)定性.比如像電阻器-電容器（RC）或電感器（IC）-諧振器那樣的簡(jiǎn)單振蕩器對(duì)某些電路來說比較好.下面一起探索Bliley晶體振蕩器電路低相位噪聲的秘密.

我們都了解航天航空,軍事應(yīng)用都需要更高性能的應(yīng)用,需要選擇的是具有更高精密的晶體振蕩器產(chǎn)品,以保持低相位噪聲和高穩(wěn)定性,否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)中心頻率偏移的風(fēng)險(xiǎn).晶振晶體在電路中的噪聲過程導(dǎo)致中心頻率偏離其期望值.頻率漂移的其他原因包括溫度,振動(dòng)和g力的變化.頻率信號(hào)中的這種不需要的噪聲可以被測(cè)量為相位噪聲.

如何測(cè)量晶體振蕩器中的低相位噪聲

能夠測(cè)量和監(jiān)控石英晶體振蕩器,有源晶體振蕩器中的相位噪聲水平非常重要,因?yàn)樗赡軙?huì)因晶體老化或其他外部因素（如振動(dòng),溫度和g力）而隨時(shí)間變化.

在頻域中測(cè)量相位噪聲,并將其繪制為信號(hào)幅度與頻率的關(guān)系.對(duì)于相當(dāng)嘈雜的信號(hào),可以在頻譜分析儀上清楚地看到相位噪聲. 然而,大多數(shù)有源晶體振蕩器產(chǎn)生非常干凈的信號(hào).在這種情況下,分析儀本地振蕩器的噪聲高于被測(cè)振蕩器的噪聲......使得很難直接觀察到相位噪聲.現(xiàn)在必須實(shí)現(xiàn)提高測(cè)量過程的靈敏度.

測(cè)量相當(dāng)干凈的晶體振蕩器信號(hào)中相位噪聲的最常用方法是將一個(gè)振蕩器與另一個(gè)振蕩器進(jìn)行比較.大多數(shù)商業(yè)相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)使用這種方法.

時(shí)代發(fā)展迅速,智能產(chǎn)品層出不窮,而與之緊密相關(guān)的電子元件,頻率控制產(chǎn)品早已成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?/span>,比如時(shí)鐘晶振,晶體頻率元件,如果沒有它們,我們將無法確切的說出準(zhǔn)確的時(shí)間,洗衣機(jī)不知道衣服何時(shí)準(zhǔn)備就緒,而且在交通方法,我們無法安全的通行,因?yàn)闆]有了信號(hào)燈指示.

Jauch集團(tuán)的主打產(chǎn)品晶體頻率元件,Jauch的頻率控制產(chǎn)品領(lǐng)域包括石英晶體,晶體振蕩器和MEMS振蕩器產(chǎn)品組.Jauch晶振集團(tuán)的頻率控制組件均按照最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn).即使在最極端的環(huán)境條件下和最復(fù)雜的應(yīng)用中,Jauch也能夠確保可靠的運(yùn)行.

Jauch石英晶體和有源晶振,晶體振蕩器適用于廣泛的應(yīng)用,如醫(yī)療技術(shù),汽車,物聯(lián)網(wǎng),無線,智能家居或智能電表.Jauch晶振可以依靠廣泛的頻率組件組合為每種應(yīng)用提供最佳組件.

智能電子產(chǎn)品向著高精密小型化發(fā)展,石英晶振晶體與其他電子零件同樣朝著輕薄短小發(fā)展.石英產(chǎn)品從1990年年開始朝著SMD的方向演進(jìn),1998年開始則朝著小型化方向發(fā)展.由于市場(chǎng)也需要輕薄型產(chǎn)品,因此輕薄短小的競(jìng)爭(zhēng)也就從此白熱化起來.如今石英晶體,SMD晶振尺寸越做越小,技術(shù)革新,并且是實(shí)現(xiàn)高精密,高頻化.

石英晶振晶體盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是石英晶體的特性還是有難以理解的一面.要理解石英晶體,從它的外觀入手應(yīng)該是最簡(jiǎn)單的.石英晶體一般的樣態(tài)如表一所示.本文將列舉幾種不同的石英晶體來作一技術(shù)性的說明.

表一 石英晶體的一般樣態(tài)

1、頻率溫度穩(wěn)定性

經(jīng)由溫度特性來做角度的切斷.在人工水晶切割之后進(jìn)行研磨,會(huì)造成角度的偏移.特別是在使用研磨速度快的研磨劑時(shí),因研磨而造成的角度偏移會(huì)更顯著.使用4次將晶片從厚磨到薄做到高頻化的情況很多,但是因?yàn)?/span>4次研磨機(jī)在研磨時(shí)沒有基準(zhǔn)面,比使用2路研磨機(jī)產(chǎn)生更多的角度偏移.然而若使用2路研磨機(jī),那么會(huì)使盤面的負(fù)擔(dān)增大,因此不能用來作厚度較薄的晶片研磨.若要使用同時(shí)具有兩者優(yōu)點(diǎn)的3WAY研磨,則要依狀況來選定研磨方法.關(guān)于特性請(qǐng)參照?qǐng)D二.溫度特性可以從公式1以理論求得.

  小型SMD晶振是當(dāng)下智能產(chǎn)品的主流,隨著客戶追求小型,便捷式的需求,小體積貼片晶振越加受歡迎.我們都知道晶振在幾乎所有電子產(chǎn)品中都會(huì)用到,包括石英晶體諧振器,溫度補(bǔ)償晶體振蕩器,壓控晶振以及32.768K音叉晶體等.

  億金電子是國(guó)內(nèi)有名的晶振晶體供貨商,同時(shí)代理歐美晶振品牌,為用戶提供更多更優(yōu)異的產(chǎn)品.下列表格中是福克斯的超小型1612溫補(bǔ)晶振型號(hào)介紹以及FOX晶振原廠編碼,歡迎廣大用戶收藏選用.

億金電子專業(yè)生產(chǎn)銷售晶振晶體,陶瓷諧振器,為了更好的服務(wù)廣大用戶,每天更新新聞動(dòng)態(tài),免費(fèi)提供技術(shù)資料,讓大家第一時(shí)間掌握最新資訊.以下是有關(guān)村田陶瓷諧振器壓電振動(dòng)模式控制應(yīng)用研究.

壓電振動(dòng)模式控制及其在無鉛壓電陶瓷中的應(yīng)用研究

壓電陶瓷廣泛用于諧振裝置應(yīng)用,例如信號(hào)處理濾波器和諧振器,致動(dòng)器和發(fā)聲器應(yīng)用,其中電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移,振動(dòng)或聲音,以及傳感器應(yīng)用,其中機(jī)械沖擊或應(yīng)力被轉(zhuǎn)換成電信號(hào).控制在壓電體內(nèi)部傳播的彈性振動(dòng)波的行為對(duì)于電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)的這種轉(zhuǎn)換是重要的.

壓電陶瓷的極化結(jié)構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)的某些設(shè)計(jì)使得能夠獲得以前不可能的獨(dú)特特征.本文基于陶瓷雙層技術(shù)的壓電陶瓷極化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提出了一種能量俘獲現(xiàn)象(彈性振動(dòng)集中在電極區(qū)域的現(xiàn)象).

Poling結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)厚度延伸模式的能量俘獲

厚度延伸振動(dòng)的基本振動(dòng)模式和奇數(shù)次諧波模式與厚度剪切振動(dòng)的偶數(shù)次諧波模式耦合.厚度延伸振動(dòng)的基波模式(TE1模式)與厚度剪切振動(dòng)(TS2模式)的二階諧波模式耦合.因?yàn)?/span>TE1模式和TS2模式的共振頻率彼此接近,所以波數(shù)和晶振頻率具有這樣的關(guān)系(色散關(guān)系),其中由于材料的彈性特性的不同,它們彼此施加強(qiáng)烈的影響.如果各向同性介質(zhì)中的泊松比小于1/3,則TE1模式的共振頻率將小于TS2模式的共振頻率.

具有熱穩(wěn)定特性的壓電陶瓷晶振如鈦酸鉛顯示出這種分散關(guān)系.圖1中的虛線表示形成電極的區(qū)域的頻率變化.另外,在圖1中,縱軸右側(cè)的波數(shù)是實(shí)數(shù),左側(cè)的波數(shù)是虛數(shù).波數(shù)的虛數(shù)值意味著不傳播振動(dòng)波.看一下TE1模式的電極區(qū)域(虛線)和非電極區(qū)域(實(shí)線)的色散關(guān)系,沒有電極區(qū)域是實(shí)數(shù)的頻率,非電極區(qū)域變成虛數(shù)的頻率數(shù).

此文中介紹了晶體操作和基本振蕩器設(shè)計(jì)的理論,以及還討論了晶振晶體考慮因素和設(shè)計(jì)限制.歡迎廣大工程技術(shù)收藏參考.

頻率控制裝置通常是壓電裝置,本質(zhì)上是機(jī)電的.機(jī)械這些設(shè)備的考慮因素(如振動(dòng),沖擊和處理)與電氣一樣重要注意事項(xiàng).從微處理器定時(shí)到無線電的各種應(yīng)用都需要用到晶體頻率控制用于信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸.

諸如石英晶體和晶體振蕩器的頻率控制裝置非常脆弱.這些設(shè)備應(yīng)該是處理比電子行業(yè)中使用的大多數(shù)其他組件要小得多,即使是包裝看起來非常堅(jiān)固.諧振器和濾波器通常是分立的壓電器件.振蕩器包含一個(gè)諧振器使用有源設(shè)備和多個(gè)分立元件來生產(chǎn)獨(dú)立的頻率控制設(shè)備.

諧振器和濾波器

諧振器和濾波器使用各種材料的壓電特性.壓電一詞意味著“壓力電力”.因此,這些裝置本質(zhì)上是機(jī)電的.一些材料可以使用羅謝爾鹽,電氣石,陶瓷和二氧化硅.其中,陶瓷和硅二氧化碳(石英)幾乎全部使用.

運(yùn)作理論

單片石英晶體通常用于雙極濾波器.這些設(shè)備通常是“AT”切割和操作理論與諧振器類似,只是特性高度依賴于諧振器電極配置.離散晶體濾波器中使用的石英晶體諧振器和晶體具有如圖所示的等效電路

 村田制作所的有限元方法的分析模擬軟件稱為Femtet①已被用于提高模擬結(jié)果與實(shí)際樣本特征的一致性.村田制作所用于AT切石英晶體設(shè)計(jì)的有限元方法分析,Femtet改善了以下四點(diǎn).

（1）理解絕對(duì)精度和計(jì)算的收斂性

有限元方法將計(jì)算機(jī)上的模型幾何劃分為有限數(shù)量的部分或部分,稱為網(wǎng)格用于計(jì)算.眾所周知,如網(wǎng)格幾何圖(左)所示,通過將域劃分為子域而產(chǎn)生的網(wǎng)格元素的數(shù)量越多,分析結(jié)果收斂得越好,如網(wǎng)格元素?cái)?shù)和頻率之間的關(guān)系圖(右)所示.

但是,收斂程度因振動(dòng)而異.主振動(dòng)的變化,即厚度-剪切振動(dòng),會(huì)聚在較少數(shù)量的網(wǎng)格元素中,而不必要的振動(dòng)的變化即使在大量的網(wǎng)格元素中也不太可能減少,顯示出差的趨勢(shì)收斂,這是模擬結(jié)果一致性差的主要原因.

對(duì)不必要的振動(dòng)模式的精確模擬需要足夠數(shù)量的網(wǎng)格元素.所需數(shù)量的網(wǎng)格元素根據(jù)晶振晶體坯料的厚度或尺寸而變化.了解產(chǎn)品尺寸和頻率所需的網(wǎng)格元素?cái)?shù)量使我們能夠以最佳精度進(jìn)行模擬.