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TROQ技术指南| 最详细的石英晶体设计参数解析

发布时间:2025-06-25

串联与并联

Series vs. Parallel

“串联”谐振晶体旨在用于振荡器反馈回路中不包含电抗元件的电路。“并联”谐振晶体旨在用于在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晶体的组合来完成启动和维持特定频率振荡所需的相移。下面显示了两个此类电路的基本描述。

负载电容

Load Capacitance

这是指晶体外部的电容,包含在振荡器电路的反馈回路中。如果应用需要“并联”谐振晶体,则必须指定负载电容值。如果应用需要“串联”谐振晶体,则负载电容不是一个因素,无需指定。负载电容是在 PCB 上的晶体端子上测量或计算的电容值。


频率公差

Frequency Tolerance

频率公差是指在特定温度(通常为 +25° C)下与标称值的允许偏差,以百万分之一 (PPM) 为单位。


老化

Aging

老化是指晶体单元随时间经历的频率累积变化。在运行的前 45 天,频率变化速度较快。影响老化的最常见因素包括驱动电平、内部污染、晶体表面变化、环境温度、导线疲劳和摩擦磨损。所有这些问题都可以通过适当的电路设计来最小化,该电路设计允许低工作温度、最小驱动电平和静态预老化。


可牵引性

Pullability


可拉伸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),或从一个负载谐振频率到另一个负载谐振频率。参见下图。给定晶体单元在给定负载电容值下表现出的可拉性量是晶体单元的分流电容 (Co) 和运动电容 (C1) 的函数。

如果可拉性是设计的一个因素,建议与TROQ技术工程师合作;在制造过程中,可以通过改变晶体参数在某种程度上控制带宽。标准晶体的提拉极限的近似值可以从以下公式获得:



确切的限制还取决于晶体的 Q 值以及相关的杂散电容。通过改进晶体制造和在晶体外部添加电容或电感,可拉动性大约翻倍。如果 Co 和 C1 已知,则可以使用以下公式获得两个电容之间的拉动 ppm。

要获得关于已知负载电容的每 pF 的平均牵引力,请使用以下公式:

等效电路

Equivalent Circuit


下图 所示的等效电路是石英晶体单元在自然谐振频率下工作时的电气描述。CO 或分流电容代表晶体电极的电容加上支架引线的电容。R1、C1 和 L1 组成晶体的“运动臂”,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积损耗。

阻抗/电抗曲线

Impedance/Reactance Curve


晶体具有两个零相位频率,下图 所示。第一个或两个中较低的频率是串联谐振频率。此时,晶体在电路中呈现阻性,阻抗最小,电流最大。当频率增加超过串联谐振点时,晶体在电路中呈现电感性。当动感电感和并联电容的电抗抵消时,晶体处于反谐振频率,记为(fa)。此时,阻抗最大化,电流最小化。

冲击特性

Shock Characteristics


虽然晶振在处理中设计用于处理正常冲击,但现场可能会出现冲击脉冲(例如半正弦波、方波、锯齿波和复杂的组合)。由于晶体相对脆弱,应将其与设备隔离,以尽量减少冲击损坏。但是,请避免规格过高,因为材料的弹性特性和设备提供的隔离程度可以降低冲击的破坏性潜力。


品质因数 (Q)

Quality factor (Q)


晶体单元的“Q”值是单元相对质量或振荡效率的量度。晶体单元可达到的最大稳定性取决于“Q”值。在上图 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,电抗的斜率就越陡。外部电路元件电抗的变化对高“Q”晶体的影响较小(“可牵引性”较小),因此此类部件更稳定。


负载电容的计算

Calculation of Load Capacitance


如果并联版本的电路配置如图1所示,负载电容可以通过以下等式计算:



C 杂散包括微处理器芯片在 Crystal 1 和 Crystal 2 引脚处的引脚到引脚输入和输出电容,以及任何寄生电容。根据经验,可以假定 C 杂散等于 5.0 pF。因此,如果 CL1 = CL2 = 50pF,则 CL =30pF。


微调灵敏度

Trim Sensitivity


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 (S) 以 PPM/pF 表示,并通过以下等式计算:



其中 (Ct) 是 Co 和 CL 的总和。


表面贴装器件的回流焊

Solder Reflow of Surface Mount Devices


SMD 装置的安装通常是通过回流焊完成的,如图 E 所示,通过红外热或气相。下图描述了两种方法中每种方法的推荐时间和温度。

焊接特性

Soldering Characteristics


可以使用多种方法将 TROQ 产品焊接到 PCB 和基板上:

波或双波

热风或对流

气相回流焊

红外回流焊

泡泡焊浸入

其他(激光等)

由于材料的天然特性,极端温度会导致外壳内部的锡 (Sn) 镀层达到其熔点,从而在石英元件上沉积焊料。这会导致组件以较低频率振荡或完全失效。在其他情况下,焊接接触会退化,导致开路。这些问题可以通过预热元件和电路板并遵循上述推荐的焊接工艺时间/温度曲线来避免。




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