原创 电路中晶振产品参数详解

我们在平时查看晶振产品规格书时，经常看到各种参数，如Fr,CL,C0,C1,RR等参数时，代表什么意思？这些参数又是如何计算出来的呢？这些都可以在本文获得了解！

标称频率(Nominal Frequency)： 标称频率是具有指定负载电路的晶体单元的振荡频率。振荡的频率变化取决于施加在晶体振荡电路上的负载量，因此附加“标称”作为形容词，表示具有特定负载电路的晶体单元的振荡频率。

串联与并联(Series vs. Parallel)： “串联”谐振晶体适用于振荡器反馈回路中不包含电抗元件的电路。“并联”谐振晶体适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在特定频率下启动和维持振荡所需的相移。两个这样的电路的基本描述如下所示。

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，也无需指定。负载电容是在 PCB 上的晶体端子上测量或计算的电容量，这是从晶体单元的两个端子的角度来看的晶体振荡电路的实际电容（串联等效静态电容）。

工作温度范围(Operating Temperature Range)：这是能保证晶体器件规格（参数值）的温度范围。

存储温度范围(Storage Temperature Range): 这是保持存储（未运行）晶体器件的可操作性和特性的温度范围。将晶体器件存放在此温度范围之外的环境中会导致特性退化或其他损坏。如果晶体器件在接近此范围的上限或下限的温度下长时间存放，也会发生特性退化，因此建议尽可能在正常的室温和湿度条件下存放晶体器件。

频率容差(Frequency Tolerance)：频率容差是指在特定温度（通常为 +25°C）下与标称值的允许偏差，以百万分之几 (PPM) 为单位，它通常表示为比值 (Δf/f)。

频率稳定性(Frequency Stability): 频率稳定性是指在规定的温度条件和工作电压范围内，对规定的输出频率（fo）定义晶体振荡器的规定容差范围（包括频率-温度特性和频率-电压特性的容差）（Δf）。它通常表示为比值 (Δ f/fo)。

老化(Aging)：这是指频率和其他特性随时间发生的变化量。通常指一年内的变化量。在使用的前 45 天内，频率变化的速度很快。影响老化的最常见因素包括驱动水平、内部污染、晶体表面变化、环境温度、线材疲劳和摩擦磨损。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。

牵引力(Pullability)：牵引力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。参见图 C。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并联电容 (Co) 和运动电容 (C1) 的函数。

如果牵引力是设计中的一个因素，建议与我们的工程师合作；在制造过程中，可以通过改变晶体参数在一定程度上控制带宽。标准晶体的拉伸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 以及相关的杂散电容。通过改进晶体制造和在晶体外部增加电容或电感，可拉性可以大约加倍。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)：等效电路，如下图所示，是石英晶体单元在自然谐振频率下工作时的电气描述。CO 或分流电容表示晶体电极的电容加上支架引线的电容。R1、C1 和 L1 构成晶体的“运动臂”，称为运动参数。动感 (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失。

阻抗/电抗曲线(Impedance/Reactance Curve)：晶体有两个零相位频率，如图 D 所示。第一个或两者中的较低频率是串联谐振频率，表示为 (ꬵs)。此时，晶体在电路中呈现电阻性，阻抗最小，电流最大。随着频率增加到超过串联谐振点，晶体在电路中呈现电感性。当运动电感和并联电容的电抗抵消时，晶体处于反谐振频率，表示为（fa）。此时，阻抗最大化，电流最小化。

冲击特性(Shock Characteristics)：虽然晶体设计用于处理处理中的正常冲击，但冲击脉冲（如半正弦、方波、锯齿和复杂组合）可能会在现场发生。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，避免过度规范，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)：晶体单元的“Q”值是衡量单位相对质量或振荡效率的指标。晶体单元可达到的最大稳定性取决于“Q”值。在图 D 中，串联频率和并联频率之间的分离称为带宽。带宽越小，“Q”值越高，电抗的斜率越陡。外部电路元件的电抗变化对高“Q”晶体的影响较小（“拉力”较小），因此这样的部分更稳定。

负载电容的计算：如果并联版本的电路配置如图 A 所示，负载电容可以通过以下公式计算：

C杂散包括晶体1和晶体2引脚处微处理器芯片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，C杂散可以假定为等于 5.0 pF。因此，如果 CL1 = CL2 = 50pF，则 CL =30pF。
微调灵敏度：微调灵敏度是负载电容值增量变化的增量分数频率变化的量度。微调灵敏度 (S) 以 PPM/pF 表示，并通过以下公式计算：

其中 (Ct) 是 Co 和 CL 的总和。

表面贴装器件的回流焊： SMD 单元的安装通常通过回流焊完成，如图 E 所示，通过红外线加热或气相。下图描述了两种方法的推荐时间和温度。

焊接特性：多种方法可用于将晶振产品焊接到 PCB 和基板：
• 波或双波
• 热风或对流
• 汽相回流
• 红外回流
• 浸泡式焊接
• 其他（激光等）

由于材料的天然特性，我们的某些产品无法承受热冲击。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。这可能导致组件以较低的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。

注意：在将任何晶体组件置于极端环境条件下之前，请务必咨询您的晶振工厂技术。

实用的晶振产品参数计算公式：