如何計算并聯諧振電路中使用的晶振負載電容值

什么是晶振的負載電容(CL)？

CL代表負載電容.晶振的負載電容定義為從晶體的兩個端子測量或計算的振蕩器電路中存在的總電容.當組裝在振蕩器電路中時晶體的輸出頻率是CL的函數.為了使石英晶體單元具有盡可能接近規定的輸出頻率,重要的是精確地測量電路中的實際CL.

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

振蕩器的輸出頻率是CL的函數.如果晶振晶體的額定CL為16pF,則指定的頻率針對振蕩器電路中的16LF的CL進行優化.

   即使設備的主電源關閉,實時時鐘（RTC）IC也必須保持時間.由于RTC通常從輔助電池或超級電容器電源獲取能量,因此對大多數時鐘設計來說,功耗管理是關鍵.

   作為實時時鐘RTC,石英晶體的領導者,Maxim設計了多種器件,以滿足日益嚴苛的RTC市場的需求.這些產品提供完全集成,極其精確和溫度補償的RTC解決方案.RTC的大部分精度取決于整個溫度下的晶振晶體精度.因此,晶體特性的溫度補償允許這些器件具有更高的精度.

   本應用筆記介紹了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用的解決方案.并且還討論了DS3231M晶振,它是一種內置微電子機械系統（MEMS）的硅諧振器,而不是石英晶體.

  晶體單元由高穩定性壓電石英晶體制成,起到機械諧振器的作用.晶體單元可以產生時鐘信號,這對IC和LSI的運行至關重要,可實現高穩定性,無需調整的性能和小型化.

  村田擁有世界領先的生產技術,在生產電子元器件方面具有領導地位.一直以來村田所生產的陶瓷晶體,陶瓷諧振器都是工廠企業所指定的品牌,隨著市場發展需求,石英貼片晶振變得無處不在,用于各行各業,村田看準時機研發生產石英晶振晶體,憑借自身豐富的生產經驗以及專業知識,取得可觀成績,獲得廣大用戶認可. 以下是MuRata Crystal生產晶振晶體單元的工廠,包括所在地區.

時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,以防止組件在時鐘焊接到PC板時松動.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包裝中.水晶安裝硬件包括實心金屬阻止彈簧到薄金屬基座.對于大多數應用程序,硬件有一些“給予”似乎最適合機械沖擊,機械振動和熱沖擊.基材安裝在金屬集管上,并有一個電阻焊接的金屬蓋.

其他更復雜的振蕩器,如TCXO溫補晶體振蕩器,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.雖然最近一些較簡單的VCXO和TCXO已經使用了專用IC和其他IC高科技技術將它們小型化為與時鐘類似的封裝,大多數仍然使用通用印刷電路板,含鉛IC和密封水晶.它們是一個相當大的金屬底座,帶有金屬蓋擰緊或焊接到底座上.密封整個封裝并不重要,因為晶體內部密封.時鐘晶體振蕩器有兩種封裝尺寸;一個是混合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個角銷因為電氣或機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,特別是對于物聯網行業的無線應用.我們越來越多地發現設備彼此通信并通過無線電交換數據,例如通過藍牙,ZigBee或ISM.所有這些無線電標準都使用三位數兆赫茲或千兆赫茲范圍內的頻段.為了產生這些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.

無線應用對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,不太適合無線應用.

需要一系列生產步驟來生產足夠薄的石英晶片.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,晶體振蕩器被設計為具有耐高溫,耐惡劣環境的一種元件,但是在運輸,儲存以及生產過程中還是要小心,注意避免晶振晶體的惡化,甚至內置晶體破壞零件.下面億金電子給大家介紹了解晶體振蕩器的運行條件注意事項.

①電源電壓和極性

晶體振蕩器應在規定的電源電壓和電壓范圍內工作目錄或數據表中給出的公差.電源電壓以外的操作規范可能導致晶體振蕩器的間歇或完全失效.

極性反接可能會導致設備電氣不可逆損壞（死機）和/或機械地（燃燒）.因此,請在確認正確的電壓極性之前給有源晶體振蕩器設備加電.

②電源電壓限制

在任何情況下,請向有源晶體振蕩器施加電源電壓電平超過絕對最大值,通常最大為7VDC.對于大多數（H）CMOSIC.另請注意,電源電壓低于額定電壓的70~80％可能會導致電壓下降振蕩器運行不穩定.

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

活動下降（也稱為頻率擾動）可能難以在晶振晶體中發現.但是,單次活動下降可能會導致應用程序信號出現嚴重問題,包括GPS或導彈系統.想象一下,發射導彈然后失去對導航的控制.或者獲得非常不準確的飛機GPS速度讀數.這些（以及許多其他問題）可能是由于未能發現晶體中的頻率下降.重要的是要了解什么是活動下降以及如何避免它們在晶體中發生......

在晶體共振期間可以激發許多不同類型的模式.其中之一是“耦合模式”,通常稱為“活動下降”.當2個或更多激發模式/諧波以相同速率脈沖時,發生活動驟降.具有相應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.性能下降是術語“活動下降”的起源.

活動下降也會導致某些溫度范圍內的頻率變化.在某些情況下,這種晶振頻率偏差會導致振蕩一起停止.這些活動傾角在較小尺寸的石英晶體上更常見.這些活動下降可能會在信號處理過程中產生負面影響.例如,由于活動下降引起的頻率尖峰可能會導致GPS接收器出現兩個主要問題：

1.頻率尖峰可被錯誤地解釋為GPS的速度變化.2.強烈的頻率尖峰可導致衛星完全斷開GPS連接.

石英晶振,晶體振蕩器被廣泛用于各行各業,而石英晶體振蕩器是低相位噪聲的高級選擇,并且在電路設計中增加了頻率穩定性.比如像電阻器-電容器（RC）或電感器（IC）-諧振器那樣的簡單振蕩器對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,軍事應用都需要更高性能的應用,需要選擇的是具有更高精密的晶體振蕩器產品,以保持低相位噪聲和高穩定性,否則會導致設計中心頻率偏移的風險.晶振晶體在電路中的噪聲過程導致中心頻率偏離其期望值.頻率漂移的其他原因包括溫度,振動和g力的變化.頻率信號中的這種不需要的噪聲可以被測量為相位噪聲.

如何測量晶體振蕩器中的低相位噪聲

能夠測量和監控石英晶體振蕩器,有源晶體振蕩器中的相位噪聲水平非常重要,因為它可能會因晶體老化或其他外部因素（如振動,溫度和g力）而隨時間變化.

在頻域中測量相位噪聲,并將其繪制為信號幅度與頻率的關系.對于相當嘈雜的信號,可以在頻譜分析儀上清楚地看到相位噪聲. 然而,大多數有源晶體振蕩器產生非常干凈的信號.在這種情況下,分析儀本地振蕩器的噪聲高于被測振蕩器的噪聲......使得很難直接觀察到相位噪聲.現在必須實現提高測量過程的靈敏度.

測量相當干凈的晶體振蕩器信號中相位噪聲的最常用方法是將一個振蕩器與另一個振蕩器進行比較.大多數商業相位噪聲測量系統使用這種方法.

時代發展迅速,智能產品層出不窮,而與之緊密相關的電子元件,頻率控制產品早已成為我們日常生活中不可缺少的一部分,比如時鐘晶振,晶體頻率元件,如果沒有它們,我們將無法確切的說出準確的時間,洗衣機不知道衣服何時準備就緒,而且在交通方法,我們無法安全的通行,因為沒有了信號燈指示.

Jauch集團的主打產品晶體頻率元件,Jauch的頻率控制產品領域包括石英晶體,晶體振蕩器和MEMS振蕩器產品組.Jauch晶振集團的頻率控制組件均按照最高質量標準生產.即使在最極端的環境條件下和最復雜的應用中,Jauch也能夠確保可靠的運行.

Jauch石英晶體和有源晶振,晶體振蕩器適用于廣泛的應用,如醫療技術,汽車,物聯網,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用提供最佳組件.

智能電子產品向著高精密小型化發展,石英晶振晶體與其他電子零件同樣朝著輕薄短小發展.石英產品從1990年年開始朝著SMD的方向演進,1998年開始則朝著小型化方向發展.由于市場也需要輕薄型產品,因此輕薄短小的競爭也就從此白熱化起來.如今石英晶體,SMD晶振尺寸越做越小,技術革新,并且是實現高精密,高頻化.

石英晶振晶體盡管結構簡單,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,從它的外觀入手應該是最簡單的.石英晶體一般的樣態如表一所示.本文將列舉幾種不同的石英晶體來作一技術性的說明.

表一 石英晶體的一般樣態

1、頻率溫度穩定性

經由溫度特性來做角度的切斷.在人工水晶切割之后進行研磨,會造成角度的偏移.特別是在使用研磨速度快的研磨劑時,因研磨而造成的角度偏移會更顯著.使用4次將晶片從厚磨到薄做到高頻化的情況很多,但是因為4次研磨機在研磨時沒有基準面,比使用2路研磨機產生更多的角度偏移.然而若使用2路研磨機,那么會使盤面的負擔增大,因此不能用來作厚度較薄的晶片研磨.若要使用同時具有兩者優點的3WAY研磨,則要依狀況來選定研磨方法.關于特性請參照圖二.溫度特性可以從公式1以理論求得.

  小型SMD晶振是當下智能產品的主流,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品中都會用到,包括石英晶體諧振器,溫度補償晶體振蕩器,壓控晶振以及32.768K音叉晶體等.

  億金電子是國內有名的晶振晶體供貨商,同時代理歐美晶振品牌,為用戶提供更多更優異的產品.下列表格中是福克斯的超小型1612溫補晶振型號介紹以及FOX晶振原廠編碼,歡迎廣大用戶收藏選用.

億金電子專業生產銷售晶振晶體,陶瓷諧振器,為了更好的服務廣大用戶,每天更新新聞動態,免費提供技術資料,讓大家第一時間掌握最新資訊.以下是有關村田陶瓷諧振器壓電振動模式控制應用研究.

壓電振動模式控制及其在無鉛壓電陶瓷中的應用研究

壓電陶瓷廣泛用于諧振裝置應用,例如信號處理濾波器和諧振器,致動器和發聲器應用,其中電信號被轉換成機械位移,振動或聲音,以及傳感器應用,其中機械沖擊或應力被轉換成電信號.控制在壓電體內部傳播的彈性振動波的行為對于電信號和機械信號的這種轉換是重要的.

壓電陶瓷的極化結構和晶粒結構的某些設計使得能夠獲得以前不可能的獨特特征.本文基于陶瓷雙層技術的壓電陶瓷極化結構設計,提出了一種能量俘獲現象(彈性振動集中在電極區域的現象).

Poling結構設計對厚度延伸模式的能量俘獲

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

具有熱穩定特性的壓電陶瓷晶振如鈦酸鉛顯示出這種分散關系.圖1中的虛線表示形成電極的區域的頻率變化.另外,在圖1中,縱軸右側的波數是實數,左側的波數是虛數.波數的虛數值意味著不傳播振動波.看一下TE1模式的電極區域(虛線)和非電極區域(實線)的色散關系,沒有電極區域是實數的頻率,非電極區域變成虛數的頻率數.

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

頻率控制裝置通常是壓電裝置,本質上是機電的.機械這些設備的考慮因素(如振動,沖擊和處理)與電氣一樣重要注意事項.從微處理器定時到無線電的各種應用都需要用到晶體頻率控制用于信號數據傳輸.

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

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,這些裝置本質上是機電的.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.

運作理論

單片石英晶體通常用于雙極濾波器.這些設備通常是“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果與實際樣本特征的一致性.村田制作所用于AT切石英晶體設計的有限元方法分析,Femtet改善了以下四點.

（1）理解絕對精度和計算的收斂性

有限元方法將計算機上的模型幾何劃分為有限數量的部分或部分,稱為網格用于計算.眾所周知,如網格幾何圖(左)所示,通過將域劃分為子域而產生的網格元素的數量越多,分析結果收斂得越好,如網格元素數和頻率之間的關系圖(右)所示.

但是,收斂程度因振動而異.主振動的變化,即厚度-剪切振動,會聚在較少數量的網格元素中,而不必要的振動的變化即使在大量的網格元素中也不太可能減少,顯示出差的趨勢收斂,這是模擬結果一致性差的主要原因.

對不必要的振動模式的精確模擬需要足夠數量的網格元素.所需數量的網格元素根據晶振晶體坯料的厚度或尺寸而變化.了解產品尺寸和頻率所需的網格元素數量使我們能夠以最佳精度進行模擬.