GBT 22319.6-2023 石英晶体元件参数的测量 第6部分：激励电平相关性(DLD)的测量

石英晶体元件参数的测量第6部分：激励电平相关性(DLD)的测量MeasurementofquartzcrystPart6:Measurementofdrivelev2023-09-07发布国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会GB/T22319.6—2023/IEC Ⅲ 12规范性引用文件 13术语和定义 1 14.1频率和电阻的可逆变化 14.2频率和电阻的不可逆变化 14.3DLD效应的原因 25DLD测量的激励电平 26试验方法 36.1方法A(快速标准测量方法) 36.2方法B(多电平基准测量方法) 4附录A(规范性)石英晶体元件的激励电平和机械位移之间的关系 6附录B(规范性)方法C:使用振荡器法测量DLD 8参考文献 图1电阻R或R₁₃随激励电平相关性变化的最大允许电阻比 3图B.1振荡器中的晶体元件的接人 8图B.2晶体元件损耗电阻随耗散功率的变化关系 8图B.3石英晶体元件R,的特性 9图B.4电路系统方框图 图B.5在扫描激励电平范围内建立的一R 图B.6在本附录试验中将一R。=70Ω作为试验限值时石英晶体元件的激励电平特性 图B.7方法C测量电路原理图 Ⅲ本文件是GB/T22319《石英晶体元件参数的测量》的第6部分。GB/T22319已发布了以下部分：——第11部分：采用自动网络分析技术和误差校正确定负载谐振频率和有效负载电容的标准本文件等同采用IEC60444-6:2021《石英晶体元件参数的测量第6部分：激励请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识本文件由全国频率控制和选择用压电器件标准化技术委员会(SAC/TC182)归口。本文件起草单位：郑州原创电子科技有限公司、北京晨晶电子有限公司高激励电平(如AT切晶体在1mW或1mA以上)时，可以在所有晶体元件上观察到这些变化。并且它们还会导致频率和电阻的不可逆变化。激此外，规定的振动模式与其他模式(如谐振子本身、装架和填充气体)之间的耦合也与激励电平——第1部分：用π型网络零相位法测量石英晶体元件谐振频率和谐振电阻的基本方法。目的在于规定测量石英晶体元件谐振频率和谐振电阻的基本方法及适用 第4部分；频率达30MHz石英晶体元件负载谐振频率和负载谐振电阻R,的测量方法及其他导出参数的计算。目的在于规定用加载物理负载电容测量石英晶体元件负载谐振频率等参 络分析技术并用线性等效电路确定石英晶体元件参数 第6部分：激励电平相关性(DLD)的测量。目的在于规定用π型网络或振荡器法测量石英晶 第7部分：石英晶体元件活性跳变的测量。目的在于规定在温度范围内石英晶体元件活性跳 第9部分：石英晶体元件寄生谐振的测量。目的在于规定用自动网络分析技术和用电阻法测 第11部分；采用自动网络分析技术和误差校正确定负载谐振频率和有效负载电容的标准方法。目的在于规定不加载物理负载电容测量石英晶体元件负载谐振频率及标称频率时有效负1石英晶体元件参数的测量第6部分：激励电平相关性(DLD)的测量本文件适用于石英晶体元件激励电平相关性(DLD)的测量。本文件规定两种试验方法(A和C)和一种基准测量方法(方法B)。方法A以IEC60444-5的π型网络为基础，适用于本文件所覆盖的整个频率范围。基准测量方法B依据IEC60444-5或IEC60444-8的π型网络或反射法为基础，适用于本文件所覆盖的整个频率范围。方法C是振荡器法，适用于固定条件下大批量基频石英晶体元件的测量。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。IEC60444-5石英晶体元件参数的测量第5部分：采用自动网络分析技术和误差校正确定等效电参数的方法(Measurementofquartzcrystalunitparameters—Part5:MethodsforthedeterminationofequivalentelectricalparametersusingautomaticnetworkanalyzertechniquesanderrorcoIEC60444-8石英晶体元件参数的测量第8部分：表面贴装石英晶体元件用测量夹具(Meas-urementofquartzcrystalunitparameters—Part8:Testfix3术语和定义本文件没有需要界定的术语和定义。ISO和IEC维护的标准化工作使用的术语数据库见下列网址：IEC;https://www.electrop4.1频率和电阻的可逆变化可逆变化是分别在低电平和高电平下进行重复测量后，或从最低电平到最高电平及反向连续或准连续测量后，在同一激励电平下出现的频率和电阻的变化，只要这些变化保持在测量准确度的范围内。4.2频率和电阻的不可逆变化不可逆变化是在高电平中间测量后，在低电平下会出现频率和(或)电阻的显著变化。例如，低电平2下先前的高电阻在重复测量时变成了低电阻。特别是晶体元件几天不工作，当其在低电平下再次工作 DLD测量要施加低激励电平和高激励电平(而且尽可能有更多的激励电平)。高激励电平是标称宜注意，建议这个电平低于附录A中推导出的最大可用电平。件，应采用晶体电流为1mA,相应的速度v为0.2m/s方法通过按顺序的三次测量，能够快速挑选出激励电平敏感的石英晶体元件。图1中给出的谐振电阻允许变化是以不同的制造商对晶体元件长期考核为基础并已被证明是反映晶体元件起振问题的可靠指在工业领域，有一些商业可用的晶体测试系统，它们的软件提供了几种DLD的不同测量及计算方法B适用于有严格起振要求和高可靠性的器件。附录B中的方法C是振荡器法。该方法是一种经济性方法，特别适用于固定测量条件(最大激励在特殊情况，若推荐的测量技术不适用，用户宜使用一个自制的低反馈振荡器，或一个自制的滤 ——附录B中方法C用于振荡器晶体依据设定值进行合格判定的测量。3电阻比y电阻比y6试验方法6.1方法A(快速标准测量方法)按第5章规定，根据IEC60444-5测量串联谐振频率和电阻，在低的和高的激励电平下进行试验。其电流电平的允许偏差为±10%,功率电平的允许偏差为±20%。a)在105℃至少存放24hb)在整个测量期间温度应保持恒定(依据IEC60444-5)。f)计算γu,γa=R₁/R₂。γi₂应小于图1绘制线段上给出的最大γ值(横坐标=R)。g)允许的频率变化|fa-f|应为5×10-*×f,除非详细规范另有规定。h)计算γμ,Yu=Ru/R₃。γ应小于(y+1)/2,γ值取图1给出的值(横坐标=Ri₃)。i)允许频率变化|fa-f|应为2.5×10-*×fa,除非详细规范另有规定。j)在任何激励电平下电阻值应不超过详细规范给定的最大值。注：图1给出的γ曲线已被许多类型振荡器用品体元件累积多年经验获得的结果证实。大多数情况下都能起振，但在临界振荡器配置下可能出现一些问题。由于不可能制造出在任何激励电平下谐振电阻均不变的晶体元件，推荐的γ曲线给出的是允许的关系曲线。激励电平值的定义由使用详细规范的标称激励电平作为高激励电平值。当在很高激励电平下测图1电阻R₂或R随激励电平相关性变化的最大允许电阻比4GB/T22319.6—2023/IEC60444建议选择的最大激励电平是当该激励电平继续增大50%,此时电阻值可逆增大不超过10%或频率 (1)按第5章规定，根据IEC60444-5测量串联谐振频率和电阻，在低的和高的激励电平下进行试验。其电流电平的允许偏差为士10%,功率电平的允许偏差为士20%。a)在105℃至少存放24h后，在室温至少存放2h,或在室温存放一周。b)在整个测量期间温度应保持恒定(依据IEC60444-5)。c)激励电平采用两种类型的量值。从最低电平到最高电平再回到最低电平的顺序测量，激励电1)当激励电平的量值单位是mA时，从2μA到标称激励电平，至少测量7个采用对数比例2)当激励电平的量值单位是μW时，从2nW到标称激励电平，至少测量7个采用对数比例5f)N个激励电平应为对数比例，即DLw+₁=DLx×K。推荐的激励电平公式(除技术规范另有规定外)见公式(2): (2)g)在特殊应用中，可能需要更多的激励电平数量。例如机械耦合引起的非线性寄生谐振(跳变)和失效分析应用。6(规范性)石英晶体元件的激励电平和机械位移之间的关系晶体元件的功率损失由式(A.1)给出：Pc=I²·R₁I——通过晶体元件的电流，单位为安培(A);无功功率由式(A.2)给出：PB——无功功率，单位为瓦特(W);f——谐振频率，单位为赫兹(Hz);Q——品质因数。电能由式(A.3)给出；晶体元件的机械能可由式(A,4)～式(A.8)描述：p=2650kg/m³(密度)……………(A.8)式中：Aa——电能，单位为瓦特V——振动区域的体积，单位为立方米(m³);c——振动模的弹性模量(对AT切晶体元件，c=cí=2.93×10°N/m²);x=△l/l——延伸率；s——距静止位置的偏移，单位为米(m);b=d²s/dt²——加速度，单位为米每二次方秒(m/s²)。体积V可以由电极面积Fm和电极间距d近似计算，见式(A.10)。先按式(A.9)计算静电容：7e,——AT切石英材料的相对介电常数，数值为4.54;ee——真空介电常数，数值为8.86×10-“F/m。得到式(A.10):式中：n——泛音次数。且根据机械振动的速度、延伸率、位移或加速度所得到的电流见式(A.11)～式(A.14):,式中1,式中1对非凸面AT切晶体元件，式(A.15)也适用：式中：n——泛音次数。常数“250”很适合小型化晶体元件的测量值，如表面贴装晶体元件。另一方面，对于普通晶体元件，当C。=5pF时，取下列电流时可得：v₁=0.01m/sv₂=0.2m/sx₁=1.8×10-*x₂=3.6×s₁=6.7×10-1ms₂=1.3×10b₁=2.6×10⁵m/s²b₂=5.3×10⁴m在f=100MHz时；s₁=6.7×10~“mb₁=2.6×10⁶m/s²b₂=5.3×10'm每个型号晶体元件的极限条件引起的最大电流或最大电平取决于石英晶体元件的频率、品质因数和振动模式及其振动区域的体积。这些器件在振荡器和滤波器中应用时，不应超过其最大电流或最大电平。8(规范性)方法C:使用振荡器法测量DLD为检验整个激励电平范围内的DLD效应，6.1中规定的方法是非常不经济的，而且该方法不适合进行100%的合格判定试验。下面推荐的方法测试晶体元件起振期间的最大R,是很经济的。该方法可用于100%的最终检验，也适用于100%的进货检验。该方法还可以作为一种仪器，以判断晶体元件是否符合详细规范中规定的R的要求。振荡器中晶体元件的作用可由图B.1表示。图B.1振荡器中的晶体元件的接入当电路的一R。的值小于晶体元件R,时，电路将不产生振荡。起振期间，晶体元件的R,相当于图B,2所示的情况。图B.2晶体元件损耗电阻随耗散功率的变化关系晶体元件经数次测量时，特征曲线向右或向左缓慢移动或逐渐平坦。比值γ=Ra/R,也可能会因每次测量而不同，即使γ值达到某一确定值(临界值),该比值也并不意味着振荡器可能停止工作。其最重要的意义是晶体元件呈现的最大R,与振荡器电路的R。值之间的保险裕度。建议电路应取|-Rl≥3|R,|,因为在温度范围内R.…和-R。一样都会偏移。起振期间，激励电平从低的值(图B.3曲线图的左侧)移向标称激励电平。9GB/T22319.6—2023/IEC60444限值达1mW的反馈网络和一个带有LED目测指示的检测器电路组成。——环路增益>1,表明|-R|>R,; 振荡器的负电阻(及其DLD拒收水平)能通过与振荡器串联的一个正电阻器来调节。用这种方法可以选择0Ω~200Ω之间任一数值。将具有足够低的R,