石英晶振设计质量因素

石英晶振是目前使用量及需求量较多的一款电子元件,不管任何一个电子元件在使用操作过程中还是注意事项中都有诸多的注意事项,同样在设计电路板等方面都需要注意一些细节,尤其的是关于晶振产品中的一些参数,下面由康华尔电子带您简单了解一下.

串联与并联

"串联"谐振晶体用于振荡器反馈回路中不含电抗元件的电路."并联"谐振晶体旨在用于振荡器反馈回路中包含电抗元件(通常是电容器)的电路.这种电路依赖于电抗元件和石英晶振的组合来实现在特定频率下启动和维持振荡所必需的相移.两个这样的电路的基本描述如下所示.

负载电容

这是指晶振外部的电容,包含在振荡器电路的反馈环路中.如果应用需要"并联"谐振晶体,必须指定负载电容值.如果应用需要"串联"谐振晶体,负载电容不是一个因素,无需指定.负载电容是通过印刷电路板上的晶体端子测量或计算的电容值.

频率公差

频率容差是指在特定温度下,通常为+25℃,与标称值的允许偏差,单位为百万分之几

频率稳定度

频率稳定性是指特定温度范围内的允许偏差,单位为百万分之几(PPM).偏差是指+25℃下的测量频率

老化

老化是指贴片晶振单位经历的频率随时间的累积变化.影响老化的因素有驱动水平过高,各种热效应,钢丝疲劳和摩擦磨损.包含低工作环境和最低驱动水平的电路设计将降低老化率.

可拉性

可拉性是指晶体单元的频率变化,从自然谐振频率(Fr)到负载谐振频率(FL),或者从一个负载谐振频率到另一个.参见图6.给定的晶体单元在给定的负载电容值下表现出的可拉性的量是晶体单元的分流电容(Co)和运动电容(C1)的函数.

等效电路

等效电路如图7所示,是石英晶振单元在自然谐振频率下工作时的电气示意图.一氧化碳或分流电容代表晶体电极的电容加上支架和导线的电容.R1,C1和L1构成晶体的“运动臂”,并被称为运动参数.运动电感(L1)代表晶体单元的振动质量.运动电容(C1)代表石英的弹性,电阻(R1)代表石英内发生的体损耗.

阻抗/电抗曲线

晶体有两个零相位频率,如图8所示.第一个或两个频率中的较低一个是串联谐振频率,表示为(fs).在这一点上晶体在电路中呈现电阻性,阻抗最小,电流最大.当频率增加到超过串联谐振点时,晶体在电路中呈现电感性.当运动电感和并联电容的电抗抵消时,石英晶体处于反谐振频率,表示为(fa).此时,阻抗最大,电流最小.

质量因素

晶体单位的"质量"值是单位相对质量或振荡效率的量度.32.768K晶体单元可达到的最大稳定性取决于"质量"值.在上面的图8中,串联和并联频率之间的间隔称为带宽.带宽越小,"Q"值越高,电抗斜率越陡.外部电路元件电抗的变化对高"Q"晶体的影响较小(可拉性较小),因此这种器件更稳定.负载电容的计算如果并联版本的电路配置如图5所示,负载电容可以通过以下公式计算:

Cstray包括晶振1和无源贴片晶振2引脚处微处理器芯片的引脚间输入和输出电容,以及任何寄生电容.根据经验,Cstray可以假设等于5.0pF.因此,如果CL1=CL2=50pF,CL=30pF.微调灵敏度微调灵敏度是对负载电容值增量变化的增量分数频率变化的度量.微调灵敏度用PPM/pF表示,并通过以下公式计算:

其中(Ct)是一氧化碳和氯的总和。

表面贴装器件的回流焊贴片单元的安装通常通过回流焊完成,在图9中,通过红外加热或气相.上图描述了两种方法的推荐时间和温度: