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晶振技術名詞定義說明及公式表達

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瀏覽：- 發布日期：2018-04-23 10:18:18【大中小】

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(1) 驅動功率( Drive Level )

石英晶體的驅動功率是指石英晶體共振子的消耗功率. 一般是以微瓦(microwatt)表示. 振蕩線路的設計上必須提供適當的功率讓石英晶體共振子開始起振并維持振蕩. 石英晶體的振蕩是屬于物理上的高頻機械振動, 振蕩時的電氣阻抗值約在10~100奧姆以下( 依頻率范圍及尺寸大小有差異). 振蕩線路若提供過高的驅動功率, 會使石英晶體的非線性特性變化及石英/電極/接著材料的接口惡化, 進而造成振蕩頻率FL及等效阻抗R1的過度變化. 石英晶體在長時期的過高驅動功率下工作, 會有不穩定的現象. 隨著各類應用面的低消耗功率需求及產品小形化趨勢, 加上近幾年石英產品的技術大幅提升, 石英晶體共振子的電氣阻抗值整體都下降而且穩定. 振蕩線路的設計不需要,也不應該提供過高的驅動能量在石英晶體共振子上面. 對于絕大部份的應用面而言, 振蕩線路提供 10 ~ 100 微瓦( microwatt)的最大功率(視石英共振子的尺寸及頻率而定)給石英共振子已足夠了.

(2) 等效串聯阻抗 ( Equivalent Series Resistance , ESR)

當石英晶體串聯振蕩在fs時, C1及L1是相反相位而互相抵消, 整個共振子的動態支臂(motional arm) 的導納(admittance)是接近最小阻抗值R1. 這時候整個石英晶體共振子的表現僅是一個電阻性的組件. 電阻值R1是整個組件的機械性能量損耗. 其中包含了石英材料, 接著材料及封裝材料上所有的能量損耗.

(3) 負性阻抗(Negative Resistance , - R )

負性阻抗是指從石英晶體共振子的二個端子往振蕩線路看過去, 所遭遇到振蕩線路在振蕩頻率時的阻抗特性值. 振蕩線路上必需提供足夠的放大增益值來補償石英晶體共振子在共振時的機械能損失. 負性阻抗并不是石英振蕩子的產品參數, 卻是振蕩線路的一項重要特性參數. 從共振子的角度而言, 就是在振蕩線路的”負性阻抗”

(4) 牽引率( Pullability ) 及敏感度( Trim Sensitivity )

石英晶體共振子應用在并聯振蕩線路上, 振蕩頻率與負載電容CL有很大的關系. 這在前面的公式(3)就可以看到. (圖十一) 是以并聯振蕩線路上FL頻率對負載電容CL的變化曲線示意圖.

頻率的“牽引率”指的是負載電容CL1的頻率FL1到負載電容CL2的頻率FL2的頻率變化. 在(圖十一)中可以是FL1(CL=24pF)與FL2(CL=10pF)的頻率變化值. 在這個例子中的頻率牽引率是 220 ppm. 若我們將CL1與CL2的負載電容值趨近極小化(曲線作數學上的微分), 就會得到曲線的切線值. 這個切線值就是用某一個負載電容的敏感度( trim sensitivity ).

在下圖中, CL=24 pF 時的頻率敏感度是10 ppm/pF, 及CL=10 pF時的頻率敏感度是20 ppm/pF. 在并聯線路中, 負載電容越小, 頻率對負載電容變化的敏感度越高. 相反的, 負載電容越大, 頻率對負載電容變化的敏感度越低. 這就是石英晶體共振子用于VCXO線路上時, 線路設計上會選用較小負載電容. 反之, 在要求較準確的頻率信號時, 線路設計上會選用較高的負載電容.

(5) 基本波振蕩及倍頻振蕩模態( Fundamental and Overtone Vibrations Mode)

在AT切割角度的石英晶體共振子主要是以厚度剪切振蕩模態存在. 石英晶體在共振時, 除了基本波振蕩之外, 高階的倍頻共振也與基本波振蕩同時存在于石英晶體的電極區域之間. 但是, 由于壓電材料的電極是電氣相位相反的振動環境, 所以,祇有奇數倍(odd number)的高頻倍頻可以發生, 偶數倍(even number)的倍頻共振在石英晶體共振子是不會存在的.

(6) 公稱頻率及容許誤差( Nominal Frequency and Tolerance )

在正確的振蕩線路匹配下, 從振蕩線路輸出的頻率, 稱之為“公稱頻率( nominal frequency )”. 頻率單位一般是以兆赫( megahertz, MHz) 或仟赫(Kilohertz, KHz)表示.

實際的批量生產及振蕩線路應用上, 產品在室溫環境(25oC)中都會有一些相對于中心頻率的頻率散布誤差. 這類型的頻率容許誤差的最大散布值,一般是以ppm ( parts per million )或% ( percent ) 來表示.

(7) 老化( AGING )

“ 老化” 顧名思意就是指在某一段特定時間范圍內, 石英晶體共振子隨時間的頻率變化, 以百萬分之一 ( parts per million, ppm ) 為表示的單位. 老化在頻率與時間上的特性曲線, 一般是呈現指數(exponential)型態的變化. 頻率老化變動最大的期間是在石英頻率組件制成后的第一個月. 之后, 頻率的變化就隨時間逐漸減少. 頻率的老化特性有好幾個主要的因素影響. 比如說, 封裝的方法, 材料的種類, 制程溫度, 制程管控, 熱處理過程及產品的尺寸和頻率高低. 在規格上大多都要定義出短期(1~3個月) 或長期(1~10年)的頻率老化需求.

(8) 負載電容 ( Load Capacitance, CL )

振蕩線路上的”負載電容(load capacitance)”定義為:從石英晶體共振子的兩個端子看向振蕩線路所遭遇到的所有電容值. 負載電容在線路上可以與石英晶體共振子以并聯(parallel)或以串聯(series)的方示連接. 以并聯方式連接的振蕩線路中, 負載電容(CL)的大小會影響公稱頻率的特性.

這種負載電容并聯線路的共振頻率以 fL 表示 :

(9) 靜態電容( Static Capacitance or Shunt Capacitance, Co )

靜態電容,Co, 主要來自由以石英芯片為介電材料與兩個電極所形成的電容為主; 另外一小部份的靜態電容來自連接石英芯片與接線的導電接著材料之間的電容和封裝外殼的電容.

靜態電容是在遠低于振蕩頻率的范圍量測出來的, 以避免在受到振蕩頻率附近的動態電容影響. 公式(5) 是靜態電容的數學表示式.

在公式(5)中, A 代表電極的面積; d 代表石英芯片的厚度; ε 是石英芯片的相對應介電值; Cm+p 是其它由材料產生的電容值

(10) 儲存溫度范圍( STORAGE TEMPERATURE RANGE )

除了在前面的工作環境溫度范圍之外, 另一項與溫度有關的特性是”儲存溫度范圍(Storage Temperature Range)”. 這個參數指的是產品在靜態狀況下可以儲存的最高與最低溫度范圍. 在這個溫度范圍內, 產品必需保證在長時期的儲存后, 還是可以在工作溫度范圍內正常的工作并符合規格. 這項特性與石英晶體共振子的組件設計及制程設計有很大關系, 要小心的定義.

(11) 頻率對溫度穩定性( Frequency-Temperature Stability )

石英頻率因溫度變化而改變, 這是因起于石英材料在各個坐標軸向的熱膨脹系數不同, 當溫度變化時, 各軸向晶格距產生些許變化. 當引用不同的切割角度時, 不同振蕩模態的之變化也會不同.

以AT切割角度的厚度剪切振蕩模態的設計, 一般是采用攝氏25度作為參考溫度點的頻率來定義在工作環境溫度范圍內的頻率變動的穩定性. 在定義這項頻率對溫度穩定性參數的同時, 也應該一同規范出相對應的工作環境溫度范圍(Operation Temperature Range)

石英頻率組件頻率對溫度穩定性的特性, 亦如同公稱頻率誤差一樣, 是以ppm或是以% 為計量單位. 組件的頻率溫度特性曲線與石英的切割角度, 振蕩模態, 表面處理及外型尺寸都有很大的關系. 除此之外, 振蕩線路上的負載電容(CL), 驅動功率(drive level)的特性, 也會影響到振蕩線路輸出頻率對溫度變化的穩定性.