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如何计算并联谐振电路中使用的晶振负载电容值

什么是晶振的负载电容(CL)？

CL代表负载电容.晶振的负载电容定义为从晶体的两个端子测量或计算的振荡器电路中存在的总电容.当组装在振荡器电路中时晶体的输出频率是CL的函数.为了使石英晶体单元具有尽可能接近规定的输出频率,重要的是精确地测量电路中的实际CL.

假设石英晶体谐振器的负载电容(CL)额定值为16pF.如何计算并联谐振电路中使用的晶振负载电容值？

振荡器的输出频率是CL的函数.如果晶振晶体的额定CL为16pF,则指定的频率针对振荡器电路中的16LF的CL进行优化.

   即使设备的主电源关闭,实时时钟（RTC）IC也必须保持时间.由于RTC通常从辅助电池或超级电容器电源获取能量,因此对大多数时钟设计来说,功耗管理是关键.

   作为实时时钟RTC,石英晶体的领导者,Maxim设计了多种器件,以满足日益严苛的RTC市场的需求.这些产品提供完全集成,极其精确和温度补偿的RTC解决方案.RTC的大部分精度取决于整个温度下的晶振晶体精度.因此,晶体特性的温度补偿允许这些器件具有更高的精度.

   本应用笔记介绍了Maxim多种类型的DS323贴片晶振功能比较（包括DS3231,DS3232,DS3234,DS32B35和DS32C35）之间的差异,以帮助客户确定适合其应用的解决方案.并且还讨论了DS3231M晶振,它是一种内置微电子机械系统（MEMS）的硅谐振器,而不是石英晶体.

  晶体单元由高稳定性压电石英晶体制成,起到机械谐振器的作用.晶体单元可以产生时钟信号,这对IC和LSI的运行至关重要,可实现高稳定性,无需调整的性能和小型化.

  村田拥有世界领先的生产技术,在生产电子元器件方面具有领导地位.一直以来村田所生产的陶瓷晶体,陶瓷谐振器都是工厂企业所指定的品牌,随着市场发展需求,石英贴片晶振变得无处不在,用于各行各业,村田看准时机研发生产石英晶振晶体,凭借自身丰富的生产经验以及专业知识,取得可观成绩,获得广大用户认可. 以下是MuRata Crystal生产晶振晶体单元的工厂,包括所在地区.

时钟振荡器通常使用印刷在陶瓷基板上的厚膜电路.分离元件焊接或环氧树脂到电路.如果焊接,必须使用高温焊料完成后,以防止组件在时钟焊接到PC板时松动.集成电路是通常以DIE形式和引线键合,或采用SOIC型封装并焊接到位.一直以来大多数石英晶体,有源晶体振荡器使用高频切割（AT,BT或SC）,晶体毛坯（磁盘）安装在基板上没有将晶体密封在二级包装中.水晶安装硬件包括实心金属阻止弹簧到薄金属基座.对于大多数应用程序,硬件有一些“给予”似乎最适合机械冲击,机械振动和热冲击.基材安装在金属集管上,并有一个电阻焊接的金属盖.

其他更复杂的振荡器,如TCXO温补晶体振荡器,VCXO压控晶体振荡器和OCXO恒温控制晶体振荡器,使用了许多不同的技术.虽然最近一些较简单的VCXO和TCXO已经使用了专用IC和其他IC高科技技术将它们小型化为与时钟类似的封装,大多数仍然使用通用印刷电路板,含铅IC和密封水晶.它们是一个相当大的金属底座,带有金属盖拧紧或焊接到底座上.密封整个封装并不重要,因为晶体内部密封.时钟晶体振荡器有两种封装尺寸;一个是混合DIP,行间距为0.300英寸14引脚兼容,另外是相同的,除了它是8引脚兼容.通常只有4个角销因为电气或机械目的不需要其他引脚（见图11）.

高频低功耗晶振晶体的使用需求量在不断增加,特别是对于物联网行业的无线应用.我们越来越多地发现设备彼此通信并通过无线电交换数据,例如通过蓝牙,ZigBee或ISM.所有这些无线电标准都使用三位数兆赫兹或千兆赫兹范围内的频段.为了产生这些RF频率,器件需要非常精确的参考石英晶振晶体,其频率范围从大约20到52兆赫兹.

无线应用对于晶振的要求不仅超薄小并且具备高精度.具有如此高谐振频率的石英晶体必须是超薄的.石英越厚,其频率越低,不太适合无线应用.

需要一系列生产步骤来生产足够薄的石英晶片.原始晶体块逐渐分成更小的单元.最小的单元最终是“空白”,锯切,研磨,蚀刻和抛光,以产生正确的厚度和特别光滑的表面.例如,为了制造共振频率为40MHZ的石英坯料,石英晶片的厚度必须仅为41.5微米.

石英晶振晶体,贴片晶振,晶体振荡器被设计为具有耐高温,耐恶劣环境的一种元件,但是在运输,储存以及生产过程中还是要小心,注意避免晶振晶体的恶化,甚至内置晶体破坏零件.下面亿金电子给大家介绍了解晶体振荡器的运行条件注意事项.

①电源电压和极性

晶体振荡器应在规定的电源电压和电压范围内工作目录或数据表中给出的公差.电源电压以外的操作规范可能导致晶体振荡器的间歇或完全失效.

极性反接可能会导致设备电气不可逆损坏（死机）和/或机械地（燃烧）.因此,请在确认正确的电压极性之前给有源晶体振荡器设备加电.

②电源电压限制

在任何情况下,请向有源晶体振荡器施加电源电压电平超过绝对最大值,通常最大为7VDC.对于大多数（H）CMOSIC.另请注意,电源电压低于额定电压的70~80％可能会导致电压下降振荡器运行不稳定.

为获得最佳性能和稳定性,振荡器可由单独稳定的电源供电电压轨,以避免数字中通常存在的电源电压噪声干扰电路.

活动下降（也称为频率扰动）可能难以在晶振晶体中发现.但是,单次活动下降可能会导致应用程序信号出现严重问题,包括GPS或导弹系统.想象一下,发射导弹然后失去对导航的控制.或者获得非常不准确的飞机GPS速度读数.这些（以及许多其他问题）可能是由于未能发现晶体中的频率下降.重要的是要了解什么是活动下降以及如何避免它们在晶体中发生......

在晶体共振期间可以激发许多不同类型的模式.其中之一是“耦合模式”,通常称为“活动下降”.当2个或更多激发模式/谐波以相同速率脉冲时,发生活动骤降.具有相应谐波的许多模式可以在特定温度下耦合到主模式并破坏石英晶体的性能.性能下降是术语“活动下降”的起源.

活动下降也会导致某些温度范围内的频率变化.在某些情况下,这种晶振频率偏差会导致振荡一起停止.这些活动倾角在较小尺寸的石英晶体上更常见.这些活动下降可能会在信号处理过程中产生负面影响.例如,由于活动下降引起的频率尖峰可能会导致GPS接收器出现两个主要问题：

1.频率尖峰可被错误地解释为GPS的速度变化.2.强烈的频率尖峰可导致卫星完全断开GPS连接.

石英晶振,晶体振荡器被广泛用于各行各业,而石英晶体振荡器是低相位噪声的高级选择,并且在电路设计中增加了频率稳定性.比如像电阻器-电容器（RC）或电感器（IC）-谐振器那样的简单振荡器对某些电路来说比较好.下面一起探索Bliley晶体振荡器电路低相位噪声的秘密.

我们都了解航天航空,军事应用都需要更高性能的应用,需要选择的是具有更高精密的晶体振荡器产品,以保持低相位噪声和高稳定性,否则会导致设计中心频率偏移的风险.晶振晶体在电路中的噪声过程导致中心频率偏离其期望值.频率漂移的其他原因包括温度,振动和g力的变化.频率信号中的这种不需要的噪声可以被测量为相位噪声.

如何测量晶体振荡器中的低相位噪声

能够测量和监控石英晶体振荡器,有源晶体振荡器中的相位噪声水平非常重要,因为它可能会因晶体老化或其他外部因素（如振动,温度和g力）而随时间变化.

在频域中测量相位噪声,并将其绘制为信号幅度与频率的关系.对于相当嘈杂的信号,可以在频谱分析仪上清楚地看到相位噪声. 然而,大多数有源晶体振荡器产生非常干净的信号.在这种情况下,分析仪本地振荡器的噪声高于被测振荡器的噪声......使得很难直接观察到相位噪声.现在必须实现提高测量过程的灵敏度.

测量相当干净的晶体振荡器信号中相位噪声的最常用方法是将一个振荡器与另一个振荡器进行比较.大多数商业相位噪声测量系统使用这种方法.

时代发展迅速,智能产品层出不穷,而与之紧密相关的电子元件,频率控制产品早已成为我们日常生活中不可缺少的一部分,比如时钟晶振,晶体频率元件,如果没有它们,我们将无法确切的说出准确的时间,洗衣机不知道衣服何时准备就绪,而且在交通方法,我们无法安全的通行,因为没有了信号灯指示.

Jauch集团的主打产品晶体频率元件,Jauch的频率控制产品领域包括石英晶体,晶体振荡器和MEMS振荡器产品组.Jauch晶振集团的频率控制组件均按照最高质量标准生产.即使在最极端的环境条件下和最复杂的应用中,Jauch也能够确保可靠的运行.

Jauch石英晶体和有源晶振,晶体振荡器适用于广泛的应用,如医疗技术,汽车,物联网,无线,智能家居或智能电表.Jauch晶振可以依靠广泛的频率组件组合为每种应用提供最佳组件.

智能电子产品向着高精密小型化发展,石英晶振晶体与其他电子零件同样朝着轻薄短小发展.石英产品从1990年年开始朝着SMD的方向演进,1998年开始则朝着小型化方向发展.由于市场也需要轻薄型产品,因此轻薄短小的竞争也就从此白热化起来.如今石英晶体,SMD晶振尺寸越做越小,技术革新,并且是实现高精密,高频化.

石英晶振晶体尽管结构简单,但是石英晶体的特性还是有难以理解的一面.要理解石英晶体,从它的外观入手应该是最简单的.石英晶体一般的样态如表一所示.本文将列举几种不同的石英晶体来作一技术性的说明.

表一 石英晶体的一般样态

1、频率温度稳定性

经由温度特性来做角度的切断.在人工水晶切割之后进行研磨,会造成角度的偏移.特别是在使用研磨速度快的研磨剂时,因研磨而造成的角度偏移会更显著.使用4次将晶片从厚磨到薄做到高频化的情况很多,但是因为4次研磨机在研磨时没有基准面,比使用2路研磨机产生更多的角度偏移.然而若使用2路研磨机,那么会使盘面的负担增大,因此不能用来作厚度较薄的晶片研磨.若要使用同时具有两者优点的3WAY研磨,则要依状况来选定研磨方法.关于特性请参照图二.温度特性可以从公式1以理论求得.

  小型SMD晶振是当下智能产品的主流,随着客户追求小型,便捷式的需求,小体积贴片晶振越加受欢迎.我们都知道晶振在几乎所有电子产品中都会用到,包括石英晶体谐振器,温度补偿晶体振荡器,压控晶振以及32.768K音叉晶体等.

  亿金电子是国内有名的晶振晶体供货商,同时代理欧美晶振品牌,为用户提供更多更优异的产品.下列表格中是福克斯的超小型1612温补晶振型号介绍以及FOX晶振原厂编码,欢迎广大用户收藏选用.

亿金电子专业生产销售晶振晶体,陶瓷谐振器,为了更好的服务广大用户,每天更新新闻动态,免费提供技术资料,让大家第一时间掌握最新资讯.以下是有关村田陶瓷谐振器压电振动模式控制应用研究.

压电振动模式控制及其在无铅压电陶瓷中的应用研究

压电陶瓷广泛用于谐振装置应用,例如信号处理滤波器和谐振器,致动器和发声器应用,其中电信号被转换成机械位移,振动或声音,以及传感器应用,其中机械冲击或应力被转换成电信号.控制在压电体内部传播的弹性振动波的行为对于电信号和机械信号的这种转换是重要的.

压电陶瓷的极化结构和晶粒结构的某些设计使得能够获得以前不可能的独特特征.本文基于陶瓷双层技术的压电陶瓷极化结构设计,提出了一种能量俘获现象(弹性振动集中在电极区域的现象).

Poling结构设计对厚度延伸模式的能量俘获

厚度延伸振动的基本振动模式和奇数次谐波模式与厚度剪切振动的偶数次谐波模式耦合.厚度延伸振动的基波模式(TE1模式)与厚度剪切振动(TS2模式)的二阶谐波模式耦合.因为TE1模式和TS2模式的共振频率彼此接近,所以波数和晶振频率具有这样的关系(色散关系),其中由于材料的弹性特性的不同,它们彼此施加强烈的影响.如果各向同性介质中的泊松比小于1/3,则TE1模式的共振频率将小于TS2模式的共振频率.

具有热稳定特性的压电陶瓷晶振如钛酸铅显示出这种分散关系.图1中的虚线表示形成电极的区域的频率变化.另外,在图1中,纵轴右侧的波数是实数,左侧的波数是虚数.波数的虚数值意味着不传播振动波.看一下TE1模式的电极区域(虚线)和非电极区域(实线)的色散关系,没有电极区域是实数的频率,非电极区域变成虚数的频率数.

此文中介绍了晶体操作和基本振荡器设计的理论,以及还讨论了晶振晶体考虑因素和设计限制.欢迎广大工程技术收藏参考.

频率控制装置通常是压电装置,本质上是机电的.机械这些设备的考虑因素(如振动,冲击和处理)与电气一样重要注意事项.从微处理器定时到无线电的各种应用都需要用到晶体频率控制用于信号数据传输.

诸如石英晶体和晶体振荡器的频率控制装置非常脆弱.这些设备应该是处理比电子行业中使用的大多数其他组件要小得多,即使是包装看起来非常坚固.谐振器和滤波器通常是分立的压电器件.振荡器包含一个谐振器使用有源设备和多个分立元件来生产独立的频率控制设备.

谐振器和滤波器

谐振器和滤波器使用各种材料的压电特性.压电一词意味着“压力电力”.因此,这些装置本质上是机电的.一些材料可以使用罗谢尔盐,电气石,陶瓷和二氧化硅.其中,陶瓷和硅二氧化碳(石英)几乎全部使用.

运作理论

单片石英晶体通常用于双极滤波器.这些设备通常是“AT”切割和操作理论与谐振器类似,只是特性高度依赖于谐振器电极配置.离散晶体滤波器中使用的石英晶体谐振器和晶体具有如图所示的等效电路

 村田制作所的有限元方法的分析模拟软件称为Femtet①已被用于提高模拟结果与实际样本特征的一致性.村田制作所用于AT切石英晶体设计的有限元方法分析,Femtet改善了以下四点.

（1）理解绝对精度和计算的收敛性

有限元方法将计算机上的模型几何划分为有限数量的部分或部分,称为网格用于计算.众所周知,如网格几何图(左)所示,通过将域划分为子域而产生的网格元素的数量越多,分析结果收敛得越好,如网格元素数和频率之间的关系图(右)所示.

但是,收敛程度因振动而异.主振动的变化,即厚度-剪切振动,会聚在较少数量的网格元素中,而不必要的振动的变化即使在大量的网格元素中也不太可能减少,显示出差的趋势收敛,这是模拟结果一致性差的主要原因.

对不必要的振动模式的精确模拟需要足够数量的网格元素.所需数量的网格元素根据晶振晶体坯料的厚度或尺寸而变化.了解产品尺寸和频率所需的网格元素数量使我们能够以最佳精度进行模拟.