石英晶体元器件的的使用指南.doc

PAGE PAGE 12 石英晶体元器件的使用指南 目录 1、晶体元件的主要参数 1.1 等效电路 1.2晶体元件的频率 1.3频差 1.4 频率温度特性 1.5 激励电平的影响 1.6老化 1.7 寄生响应 1.8负载电容和频率牵引 2、术语 3、晶体元器件在电路中的应用 3.1 彩电 3.2 电话 3.3 无绳电话与手机 3.4 PC机及单片机 3.5 光通信 4、应用中存在的问题与分析 4.1 系统误差问题 4.2 晶体参数选择 4.3 电路与晶体的配合 (振荡器) 4.4 工作环境与可靠性 1、晶体元件参数 1.1等效电路 作为一个电气元件，晶体是由一选定的晶片，连同在石英上形成电场能够导电的电极及防护壳罩和内部支架装置所组成。 晶体谐振器的等效电路图见图1。 等效电路由动态参数L1、C1、R1和并电容C0组成。这些参数之间都是有联系的，一个参数变化时可能会引起其他参数变化。而这些等效电路的参数值跟晶体的切型、振动模式、工作频率及制造商实施的具体设计方案关系极大。 下面的两个等式是工程上常用的近似式： 角频率ω=1/ 品质因数Q=ωL1/R1 其中 L1为等效动电感，单位mH C1为等效电容，也叫动态电容，单位fF R1为等效电阻，一般叫谐振电阻，单位Ω 图2、图3、图4给出了各种频率范围和各种切型实现参数L1、C1、R1的范围。 图2常用切型晶体的电感范围 图3 常用切型的电容范围 对谐振电阻来说，供应商对同一型号的任何一批中可以有3：1的差别，批和批之间的差别可能会更大。对于一给定的频率，采用的晶体盒越小，则R1和L1的平均值可能越高。 1.2 晶体元件的频率， 晶体元件的频率通常与晶体盒尺寸和振动模式有关。一般晶体尺寸越小可获得的最低频率越高。晶体盒的尺寸确定了所容纳的振子的最大尺寸，在选择产品时应充分考虑可实现的可能性，超出这个可能范围，成本会急剧增加或成为不可能,当频率接近晶体盒下限时,应与供应商沟通。下表是不同晶体盒可实现的频率范围。 图4 充有一个大气压力气体（90%氮、10%氦） 的气密晶体元件的频率、切型和电阻范围 晶体盒型号 振动模式 频段（MHz） HC-49U AT基频 1.8432-30 BT基频 20-40 AT三次泛音 20-85 AT五次泛音 50-180 HC-49S AT基频 3.579-30 AT三次泛音 20-65 AT五次泛音 50-150 SMD7×5 AT 基频 6-40 AT 三次泛音 33-100 AT 五次泛音 50-180 SMD6×3.5 AT 基频 8-40 AT 三次泛音 35-100 AT 五次泛音 50-180 SMD5×3.2 AT 基频 12-45 AT 三次泛音 35-100 AT 五次泛音 60-180 1.3 频差 规定工作温度范围及频率允许偏差。 电路设计人员可能只规定室温频差，但对于在整个工作温度范围内要求给定频差的应用，除了给定室温下的频差还应给出整个工作温度范围内的频差。给定这个频差时，应充分考虑设备引起温升的容限。 通常有两种方法规定整个工作温度范围的频差。 1）规定总频差 如从-10℃—+85℃，总频差为±50×10-6，通常这种方法一般用于具有较宽频差而不采用频率微调的应用场合。 2）规定下列部分频差 基准温度下的频差为±10×10-6 在-30—+60℃温度范围内，相对于基准温度实际频率的频差±20×10-6，这种方法常用于较严频差，靠频率牵引来消除基准温度下的频差的场合。 对于温度曲线为抛物线的BT切晶体，可以规定基准温度下的频差为正公差，如+20×10-6。 一般来讲,应该根据系统的要求来确定晶体元件的工作范围及频率允许偏差。 1.4 频率温度特性 频率温度特性随所用的振动模式不同其变化相当大，图5给出了常用切型的频率温度特性关系的理论曲线。常用的晶体谐振器主要是AT切的BT切型，由于AT切的温度频差更容易控制，因此温度频差要求较严的晶体多选用AT切晶体，图6给出了比较完整的一系列AT切晶体的频率温度特性的理论曲线。这些曲线表明，可以选定特定的角度范围来保证在规定的温度范围内得到规定的性能。实际上由于设计制造的多种限制，这些理论曲线仅供做为指导性资料。应当说明的是在选择较小的温度频差时需要付出较高的代价。对于一般用作数字电路（如PC）时钟的应用场合，±30×10-6、、±50×10-6的温度频差已经足够了，只有在通信系统和精确计时基准的应用时才会考虑更严的温度频差。 图7表明了AT切晶体当规定特别小温度频差时所花费的代价。过严的频差会导致制造成本的增加，设计人员应充分评估所需的频差范围。 图7 AT切晶体元件频率允许