石英晶体元件性能参数简介

1、石英晶体元件性能参数简介术语简介： 1、石英晶体元件的等效电路 其等效电路是一个晶体元件在谐振频率附近具有与晶体元件相同阻抗特性的电路，通常用L1、R1、C1相串联后再与C0并联表示。见下图。 2、石英晶体元件的等效参数（包括静态参数和动态参数）： C0 静电容 L1 等效电感 C1 等效电容 R1 等效电阻 2.1 等效电阻R1 石英晶体的等效电阻是其工作时能量损耗的量度，它包括晶片的内摩擦、支架应力损耗、空气阻尼、电极膜与晶片之间的内摩擦等，其影响大小不等，难以计算。 2.1.1、串联谐振电阻R1在规定条件下，晶体元件在串联谐振频率f时呈现的等效电阻，又称谐振电阻，即不加负载电容时测得的电

2、阻。 2.1.2、负载谐振电阻 RL 在规定条件下晶体元件在与规定的负载电容CL相串联后工作在负载谐振频率fL时所呈现的电阻。 RL与R1的关系为：RL R11+( C0 /CL)2 2.1.3、影响谐振电阻的因素 影响谐振电阻的因素很多，例如原材料质量情况、晶体设计是否合适、生产工艺水平、清洁程度高低、晶体使用是否恰当、激励电平的高低等。一般情况下，晶体的泛音电阻要比其基频的电阻大，但是采取特殊措施也可以使泛音电阻比其基频的电阻小。 2.2、等效电容C1 等效电容C1：等效电路中串联臂中的电容，也称动态电容。 2.2.1、C1的表达式 C1=1/ L1 (2f)2 C1值用仪器直接测量时是用

3、下式计算出来的： C1=2(fLfr)（C0CL）/ fr =2f(C0CL) / fr 或者 C1=2(fL1fr) (fL2fr)(C L2CL1）/ fr (fL1fL2)=2fL1fL2 CL/ frfL fL加负载电容CL后的频率 fr不加负载电容时的串联谐振频率 CL1、 C L2一大一小的两个负载电容 fL1、fL2加CL1、 C L2时的频率 ffLfr fL1fL1fr fL2fL2fr fLfL1fL2 CLC L2CL1 2.2.2、C1的用途 有的客户提出C1大于某一数值是为了获得比较大的负载谐振频率偏值，即要求fLfL1fL2较大，以便改变CL后能够获得较大的频率变化

4、量。有的客户则提出频率牵引灵敏度大于某一数值，以便通过调整CL很容易的将晶体的频率调整到要求值。 2.3、等效电感 等效电感又称动态电感，其定义为：等效电路中串联的电感，在客户的技术要求中不出现，它和晶体的Q值成正比，从机械振动理论讲，等效电感表示了在晶片振动时所储存动能的量度。 2.4、并电容C0 并电容：等效电路中与串联臂并接的电容，简称值。它是把晶体元件当做一个平行板电容器在晶体元件非工作状态测量出来的一个电容值，它与泛音次数无关，是一个静态参数，所以又称静电容。 3、石英晶体的品质因数3.1、品质因数Q 石英晶体元件的品质因数又称Q值，是石英晶体元件质量的量度，其基本定义为：每个振动周

5、期内储存的能量和每个振动周期消耗的能量之比。表达式为： Q= (2f L1)/ R1 它反映谐振器工作时克服摩擦阻尼而消耗能量的大小3.2、Q值和晶体元件的频率稳定性的关系 晶体元件的频率稳定性与其Q值有密切关系，Q值越高则晶体元件的频率稳定性越好，当Q=180万时日老化率为5*10-11/天，对于一只频率为4.194304MHZ的石英钟晶体每天变化0.00021HZ，相当于13年变化1秒。长期频率稳定度取决于晶体的老化率。3.3、Q值和晶体元件的起振特性的关系 Q值越高则晶体元件的起振特性越好，越容易起振，因为Q值越高每个振动周期消耗的能量越少。4、负载电容CL 4.1、为什么要加CL？ 首

6、先是为了调整晶体元件的频率，使其更精确的地达到要求值，所以一般CL是一个可变电容，但是许多客户已不再调整频率，CL是一个固定值电容，其次在晶体振荡电路中实际存在的一些电容也对晶体的频率产生影响，所以在生产晶体时也必须将这些电容等效地加在晶体上，否则晶体频率和使用频率将会不一致，有时因客户提供的CL不准确也会使晶体在客户的电路板上产生很大频差。5、激励电平P 激励电平：石英晶体元件工作所消耗的功率的表征值常用P表示。 在激励电平较大或很小时，晶体元件的频率和电阻都在一定程度上随激励电平的变化而变化，因此规定的激励电平值应为设备中实际使用的激励电平值，而且这个值应该是合适的，即不能太高，也不能太低

7、。 5.1、激励电平太高是会导致以下结果： 5.1.1、容易出现寄生振荡，使频率温度特性和电阻温度特性产生畸变，如：跳频、活力下降、死点等。 5.1.2、由于晶体过热和过应力造成的频率漂移，此漂移一般是不可逆的、 5.1.3、电阻突然变化，可用此原理来进行电清洗，经强激励后电阻一般均下降，一般不可逆。 9.2、激励电平太低会使晶体电阻增大，以至于不能起振。在额定激励电平下其电阻值就可能相差很大，起振特性不好，甚至停振。因此现在许多客户提出了DLD（激励电平相关性）的要求，由于集成电路的广泛运用，客户希望P尽量小。6、老化 老化：石英晶体元件频率和谐振电阻随时间的变化关系。在大多数的应用中主要是

8、频率随时间的变化，其变化是长时间的不可逆返的。虽然石英晶体元件的频率稳定性非常优良，但仍然会随存放时间、工作时间的延长及激励功率和工作温度变化而变化。 6.1、因自然存放时间而引起的频率相对变化称为自然老化； 因工作时间引起的频率相对变化称为负荷老化，总称为老化频差，简称老化。 6.2、老化原因 老化的原因主要是由于晶片经过研磨、腐蚀后打破了晶体内部结构的平衡；晶片表面杂质、污物及电极膜也参与了振动，改变了晶体的密度，增加了其应力，由于质量负荷效应和应力驰预效应而导致频率变化。 6.3、由于老化是一个长时间的缓慢变化的过程，通常用年老化率表示，一般要求为5PPM/年。如果采用优质原料和精密设计

9、和加工，年老化率可优于0.5PPM。 6.4、影响老化的因素 影响老化的因素很多，是晶体生产厂工艺水平的集中表现。老化的机理很复杂，许多人已进行了广泛深入的试验研究，普遍认为，它不但与水晶原料质量、晶片切型有关，而且受石英片加工和晶体装配工艺影响很大，例如：研磨对晶片造成的应力、晶片表面附着物的增减、电极膜和晶片之间的应力、上架过程和晶片之间形成的应力的变化、晶体盒漏气、振子污染、过激励、过度的冲击、及较高的温度等都会产生影响。同样条件下，外壳密封性越好，则老化相应小一些，如玻璃壳封装、电阻焊封装、冷压焊封装等。它们要比焊锡封装要好。 为了减少老化，针对有关因素常常采取的相应措施有：A、 保证

10、晶片表面和边缘的光洁度B、 足够的腐蚀量，确保全部去除破坏层。C、 确保晶片、电极膜、支架、绝缘衬套、外壳内部的清洁度。D、 电极膜不能太厚，保证镀膜公差，尽量减少微调量。E、 要保证镀膜和微调是的真空度，镀膜前进行离子轰击清洗，镀膜中保 持适当的蒸发速度。F、 镀膜前后、微调后在充氮烤箱中烘烤消除应力。G、 烤胶后清洗掉导电胶的挥发物。H、 晶体壳内充高纯氮气（99.99）。I、 封焊后密封性能良好。J、 尽量减少从晶片清洗到谐振件封装前在空气中的存放时间，减少污染。 此外，人们常用高温（85或125）常时间（30天）烘烤，加速老化的方法快速降低质量负荷效应和应力驰预效应，提前剔除老化性能差

11、的产品。有人通过试验发现，应力起主导作用时烘烤后频率向正方向变化，而质量负荷起主导作用时则向负方向变化。因为老化原因及其变化过程很复杂，很难预测每只晶体的变化方向。7、标称频率晶体元件技术规范中规定的频率。即客户在订单中提出的频率。通常标识在晶体的外壳上，它与晶体元件的实际工作频率有一定的差值。 工作频率:晶体元件与其电路一起产生的振荡频率。8、调整频差在规定条件下基准温度时的工作频率相对于标称频率的最大偏离值。在技术规范中用相对偏差表示，其单位为PPM。9、基准温度为了确定晶体元件的频率准确度而规定的温度，或者测量晶体元件时指定的环境温度。因为当晶体元件所处的环境温度变化时频率也随之变化，所

12、以为了使生产厂和用户测频时的一致性，都必须在规定的温度（基准温度）下测量。它表示：A、晶体元件经常的工作温度B、除恒温晶体外，一般为25±210、工作温度范围（简称工作温度）技术条件（如订单）中规定的一种环境温度范围，在该温度范围内晶体元件性能指标能符合规定的技术要求。11、温度频差在规定条件下，晶体元件在工作温度范围内的工作频率相对于其基准温度时工作频率的允许偏差称为温度频差。也就是只是因为温度的变化而引起的频率变化，它不包含调整频差。温度频差的大小决定了晶体元件频率温度特性的好坏，同样也用相对频差表示，单位为PPM.12、石英谐振器的用途 石英谐振器又称石英晶体组件，简称石英晶体

13、或晶体，它是一种电子元件，因为其最主要的特性就是在工作时能够产生一个非常稳定的频率，在需要进行频率控制和选择的各类电子产品中起稳频和选频的作用。因此，在国际电工委员会（IEC）标准中它的全称为频率控制和选择石英晶体元件。它被广泛应用于国防、军事、工业及民用电子设备设备中，原国家科委主任、工程院院士宋建曾强调指出：“石英晶体元件是特种关键元件，航天导弹卫星和运载火箭每个型号都要用，一旦用上了就是整机的心脏”。对于石英晶体在工业和民用领域中的作用，日本科学家曾作过这样的精辟的评价：“石英晶体产品已经在今天这场使工作生产更有效以及家庭生活更舒适的电子革命中担任了主要的支柱的角色，它是其它元件很难相比

14、和不能取代的”。 以下是主要用途简单介绍： 一、在航天和军事上的应用 如：卫星转发器、军用电台、遥控、遥测等，我国第一颗人造地球卫星就使用了原六七研制的石英晶体元件。 二、在通讯系统中的应用 在移动通讯蓬勃发展的今天，石英晶体在通讯系统中的重要地位越来越突出。如：程控交换机、寻呼机、时钟、模拟及数字电路移动电话、无绳电话、手机等。 三、在民用电子设备中的应用更加广泛 由于石英晶体元件的主要原材料人造石英晶体（又称人造水晶）的大力发展，产量猛增，石英晶体元件生产设备，生产工艺的不断更新改造，成本逐步下降，因而晶体元件在民用工业领域的用途不断扩大，如：彩色电视机、石英钟表、程控电话、无绳电话、汽车电话、录像机、VCD、空调、电子玩具、各种遥控器等。A. 彩色电视机，石英晶体是在色彩频率振荡器上用来激励色彩信道同道解调器，PAL制式4.433619MHz，NTS为3.579545MHz。B. 电视差转机（75MHz以上）。C. 手机、传呼机。D. 微处理机，由于数字化智能化的普及使微处理机在各方面得到广泛应用，如：工业、个人用电脑，由晶体提供一个频率非常稳定的时基。E. 无绳