首頁晶振行業(yè)動態(tài) 從石英晶體的材料到驅(qū)動功率再到振動模式作何解釋
從石英晶體的材料到驅(qū)動功率再到振動模式作何解釋
來源：http://eitherspanlaw.com 作者：億金電子 2019年07月19
使用石英為震蕩源的產(chǎn)品主要有石英晶體諧振器、石英晶體振蕩器.主要特點具有高穩(wěn)定性(年老化率小于+/-3PPM)、高Q(質(zhì)量因子)值、低功耗、小體積、易于使用.一般石英晶體諧振器的頻率可從數(shù)百赫茲至幾百兆赫茲.
晶振主要應(yīng)用于通訊、航空航天、家用電器、數(shù)字電視、影音播放、鐘表,計算機業(yè)的微處理機、微電腦、終端機,量測設(shè)備、自動控制、電話、導航等領(lǐng)域.下面從石英晶體的材料到驅(qū)動功率再到振動模式為大家作一個全面的分析,有助于廣大用戶更好的使用晶振產(chǎn)品.
振動模式
同是AT切的晶體芯片,在振動模式上又有基頻(FUND),三次泛音,五次泛音等之分.小型SMD石英晶體諧振器而言,5次泛音很少,3次泛音一般在40M以上時才會少量生產(chǎn).同一頻率的石英貼片晶振,3次泛音的厚度是基頻的3倍,例如鴻星晶振的48MHz三次泛音的厚度約為0.104mm(與16MHz基本波的厚度相同),48MHz基本波晶振的厚度約為0.034mm.在設(shè)計芯片厚度時,AT切的芯片的厚度與頻率,及振動模式有關(guān),而與芯片的尺寸大小無關(guān).做成成品后的AT切基頻石英晶振,AT切3泛音晶體與BT切晶體可以通過觀察其C0/C1值,TS值,電阻值及TC特性來區(qū)分.
石英芯片
石英芯片主要有方片(9.9*9.9),圓片(φ8.70-φ5.50),目前應(yīng)用最廣泛的是條片,條片的主要尺寸有：
各種切型中目前較被廣泛應(yīng)用之切型為AT、BT、DT.其他切型還有 CT、GT、NT、ET、FC、SC、LC等,石英產(chǎn)品一般是AT切,BT切產(chǎn)品一般出現(xiàn)在頻率30M以上的產(chǎn)品中.
石英材料(水晶)
石英產(chǎn)品主要是利用石英材料(水晶)的壓電效應(yīng)制成的電子原件和器件,壓電效應(yīng)是一種機電能量互換的現(xiàn)象,壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng),正壓電效應(yīng)是以機械應(yīng)力及應(yīng)變(形變)作用而使物體產(chǎn)生電荷或電壓輸出.逆壓電效應(yīng)是以電能輸入使之產(chǎn)生機械能或位移(形變)的輸出.如果把交變電壓施加到石英芯片兩個電極之間,當交變電壓的頻率與石英芯片固有頻率一致時,通過逆壓電效應(yīng),芯片便產(chǎn)生機械振動,同時又通過正壓電效應(yīng)而輸出電信號.石英材料的壓電效應(yīng)是有方向性的,只有在電軸方向才具有壓電效應(yīng).石英有天然石英和人造石英.天然石英和人造石英均為多面體形狀.目前電子元器件使用的主要是人造石英材料.主要成分為氧化硅之結(jié)晶體SiO2.
驅(qū)動功率(Drive Level)
激勵功率的大小直接影響石英晶體諧振器的性能,所以電路設(shè)計者一定要嚴格控制石英諧振器在規(guī)定的激勵功率下工作,以便充分發(fā)揮石英諧振器的特性激勵功率一般以微瓦為單位micro Watt,近幾年石英晶體生產(chǎn)技術(shù)大幅提升加上產(chǎn)小型化與低功耗需求的提升已不需要提供過高的驅(qū)動功率.
功率偏小對于長期穩(wěn)定有利,功率稍大對于短期溫度有利.
激勵功率太大:
石英片振動強,振動區(qū)域溫度升高,石英片內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度,會使頻率穩(wěn)定度降低；功率過大時由于機械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移,使頻率產(chǎn)生永久性的變化,甚至有時會把石英片振壞；功率過大會使等效電阻增加(一般阻抗10~100奧姆),電極與接著材料的接口惡化,Q值下降,電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規(guī)則；激勵功率過大容易激起寄生振蕩,同時還會使老化變大.
激勵功率太低:
會使信號雜音比變小而影響短期穩(wěn)定度,石英晶體諧振器不易起振,影響工作的穩(wěn)定和可靠性,所以使用者應(yīng)根據(jù)不同的要求嚴格控制激勵功率；更不能為了增大輸出而隨意提高激勵功率.
晶振主要應(yīng)用于通訊、航空航天、家用電器、數(shù)字電視、影音播放、鐘表,計算機業(yè)的微處理機、微電腦、終端機,量測設(shè)備、自動控制、電話、導航等領(lǐng)域.下面從石英晶體的材料到驅(qū)動功率再到振動模式為大家作一個全面的分析,有助于廣大用戶更好的使用晶振產(chǎn)品.
振動模式
同是AT切的晶體芯片,在振動模式上又有基頻(FUND),三次泛音,五次泛音等之分.小型SMD石英晶體諧振器而言,5次泛音很少,3次泛音一般在40M以上時才會少量生產(chǎn).同一頻率的石英貼片晶振,3次泛音的厚度是基頻的3倍,例如鴻星晶振的48MHz三次泛音的厚度約為0.104mm(與16MHz基本波的厚度相同),48MHz基本波晶振的厚度約為0.034mm.在設(shè)計芯片厚度時,AT切的芯片的厚度與頻率,及振動模式有關(guān),而與芯片的尺寸大小無關(guān).做成成品后的AT切基頻石英晶振,AT切3泛音晶體與BT切晶體可以通過觀察其C0/C1值,TS值,電阻值及TC特性來區(qū)分.
石英芯片主要有方片(9.9*9.9),圓片(φ8.70-φ5.50),目前應(yīng)用最廣泛的是條片,條片的主要尺寸有：
| 芯片尺寸 | Hosonic晶振規(guī)格 | 芯片尺寸 | Hosonic晶振規(guī)格 | 芯片尺寸 | Hosonic晶振規(guī)格 |
| 8.00*2.00 | 49S/49SM/49SSM | 3.50*1.80 | 5S/5F/5032/OSC | 1.60*1.00 | 2SB |
| 5.00*2.50 | 8FA/7SB/7050/OSC | 2.80*1.20 | 4SB | 1.40*0.90 | 1AB |
| 4.00*1.80 | 6SB、6FA/B | 2.00*1.20 | 3SB |
石英芯片按是否修邊可分為平片、修邊片(凸片).低頻片一般要導邊(修邊),主要是降低電阻(ESR)；按是否拋光可分為非拋光片、拋光片(一般80.000 MHz以上進行拋光,降低芯片電阻). 石英芯片的基本加工工序主要有：切割、研磨、腐蝕、清洗.每一個工序跟頻率都有一定的相關(guān)性 .
切割：用不同角度對石英晶棒進行切割,可獲得不同壓電特性、彈性特性和強度特性之石英芯片其電特性也各異,用它來制造的諧振器的性能也不一樣,通常我們把石英芯片對晶棒坐標軸某種方位(角度)的切割稱為石英芯片的切型.各種切型中目前較被廣泛應(yīng)用之切型為AT、BT、DT.其他切型還有 CT、GT、NT、ET、FC、SC、LC等,石英產(chǎn)品一般是AT切,BT切產(chǎn)品一般出現(xiàn)在頻率30M以上的產(chǎn)品中.
石英材料(水晶)
石英產(chǎn)品主要是利用石英材料(水晶)的壓電效應(yīng)制成的電子原件和器件,壓電效應(yīng)是一種機電能量互換的現(xiàn)象,壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng),正壓電效應(yīng)是以機械應(yīng)力及應(yīng)變(形變)作用而使物體產(chǎn)生電荷或電壓輸出.逆壓電效應(yīng)是以電能輸入使之產(chǎn)生機械能或位移(形變)的輸出.如果把交變電壓施加到石英芯片兩個電極之間,當交變電壓的頻率與石英芯片固有頻率一致時,通過逆壓電效應(yīng),芯片便產(chǎn)生機械振動,同時又通過正壓電效應(yīng)而輸出電信號.石英材料的壓電效應(yīng)是有方向性的,只有在電軸方向才具有壓電效應(yīng).石英有天然石英和人造石英.天然石英和人造石英均為多面體形狀.目前電子元器件使用的主要是人造石英材料.主要成分為氧化硅之結(jié)晶體SiO2.
驅(qū)動功率(Drive Level)
激勵功率的大小直接影響石英晶體諧振器的性能,所以電路設(shè)計者一定要嚴格控制石英諧振器在規(guī)定的激勵功率下工作,以便充分發(fā)揮石英諧振器的特性激勵功率一般以微瓦為單位micro Watt,近幾年石英晶體生產(chǎn)技術(shù)大幅提升加上產(chǎn)小型化與低功耗需求的提升已不需要提供過高的驅(qū)動功率.
功率偏小對于長期穩(wěn)定有利,功率稍大對于短期溫度有利.
激勵功率太大:
石英片振動強,振動區(qū)域溫度升高,石英片內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度,會使頻率穩(wěn)定度降低；功率過大時由于機械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移,使頻率產(chǎn)生永久性的變化,甚至有時會把石英片振壞；功率過大會使等效電阻增加(一般阻抗10~100奧姆),電極與接著材料的接口惡化,Q值下降,電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規(guī)則；激勵功率過大容易激起寄生振蕩,同時還會使老化變大.
激勵功率太低:
會使信號雜音比變小而影響短期穩(wěn)定度,石英晶體諧振器不易起振,影響工作的穩(wěn)定和可靠性,所以使用者應(yīng)根據(jù)不同的要求嚴格控制激勵功率；更不能為了增大輸出而隨意提高激勵功率.
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