标签: 晶振Q值

在实际工程中，Q值不仅影响晶体的频率稳定性，还决定了晶振的相位噪声、老化特性以及系统的长期可靠性。今天，凯擎小妹聊一下Q值对晶振性能的影响。 电气等效与能量损耗 石英晶体的压电谐振现象可以用等效模型来描述。动态电感L1和动态电容C1描述了晶体的机械振动特性，而等效谐振电阻R1则集中反映了晶体内部的各种能量损耗，包括机械摩擦、电极损耗以及材料内耗。并联的静态电容C0主要由晶体电极和封装结构决定。 Q值在电路中的变化 Q值可以理解为单位周期内储存能量与损耗能量的比值。对于石英晶体而言，其表达式可以写成： R1越小，Q值越高。换句话说，Q值高的晶体，在每一个振荡周期中损失的能量更少。 在工程层面，高Q值表示： - 振荡频率更稳定； - 对温度、电源和外界扰动更不敏感； - 长期老化速率更低。 为了验证上述关于Q值与能量损耗之间关系的分析，我们对实际量产晶体进行了测试。以KOAN无源晶体KX32(3.2×2.5mm封装)、8MHz为例，在相同测试条件下对10颗样品进行测量，其实测品质因数Q值主要分布在44k至55k的区间。与此同时，对应的谐振电阻RR维持在数百欧姆量级，表明该晶体在小型化封装条件下仍具备较低的等效损耗。该结果也从实测角度印证了：较低的谐振电阻是获得高Q值的重要前提。 Q值在真实电路中的变化 晶体在规格书中标注的Q值通常是在理想测试条件下测出来的。当晶体被接入实际振荡器电路后，放大器输入损耗、负载电容以及PCB寄生参数都会引入额外的能量损耗。此时，晶体表现出的等效品质因数通常会明显下降，这一状态下的Q值常被称为在线Q值。系统性能的好坏，取决的正是这个在线Q值，而不是晶体Q值。 Q值与负载电容之间的权衡关系 负载电容CL 是影响在线Q值的关键因素之一。它不仅决定晶体的工作频率，还会改变振荡回路的能量分布方式。 在工程实践中，经常会遇到以下权衡： - 当负载电容较大时，振荡回路中的能量更集中，等效损耗相对较低，在线Q值提高。这有利于降低晶体老化率，提高频率稳定度，但代价是频率可调范围变小，振荡器不易被拉到目标频率。 - 当负载电容较小时，频率拉偏能力增强，调试更加灵活，但振荡回路对噪声的抑制能力下降，在线Q值降低，频率稳定性和一致性变差。 在选型时，凯擎小妹建议应优先确认MCU或振荡器芯片对负载电容的推荐范围，再结合系统对稳定性和可调性的要求进行取舍。 Q值如何影响相位噪声 如果从频域角度观察振荡器输出，理想情况下应是一条无限窄的频谱线。但现实中，各种噪声源会不断扰动振荡相位，使能量向载波两侧扩散，形成相位噪声。Q值越高，振荡系统中储存的能量越多，外界噪声越难以改变振荡相位，频谱能量也就越集中在中心频率附近。晶体Q值往往决定了相位噪声能够达到的理论下限。相位噪声最终由在线Q值决定。因此，即使选用了高Q晶体，如果负载电容选择不当或振荡电路损耗过大，实际相位噪声表现仍可能不理想。

晶振是由压电晶体构成的。压电效应使晶体能够在一定频率下振荡，为电路提供稳定的频率信号。晶体的品质因数Q值越高，晶振的频率稳定性越好。晶体的振动频率和晶片的厚度，面积，切割方式有关。 厚度 石英晶振的振荡频率与晶片厚度呈反比关系。晶片越薄，振荡频率越高。较厚的晶片振动幅度小，抗冲击性能更强；而较薄的晶片虽然能够实现高频振动，但对外界应力更为敏感，易受损。 泛音晶体技术可以实现更高的频率。一个基频为20MHz的晶片，通过五次泛音可以达到100MHz的振荡频率。这种方法使得中低基频晶片也能产生上百兆赫兹的稳定振荡。 形状 1.音叉:音叉形晶片常用于低频应用，如32.768kHz的时钟晶振。音叉的“叉子”长度(L)是决定频率的重要因素。L越大，振动频率越高。 2.矩形:矩形晶片主要用于MHz频率的振荡器。这种形状便于批量制造和封装，其振荡频率主要由厚度决定。 切割方式 石英片的切角和晶体的性能有着密切的关系，例如老化特性，频率稳定性等。不同的切割方式可以用XYZ坐标来定义。 1.AT切(0.5~300MHz)使用最广泛的切割方式，主要应用在电子仪器，无线通信等。由于工艺的限制和晶片破裂的风险，晶片不能无限的薄，所以高频晶体通常在泛音模式下工作。 2.BT切(0.5~200MHz)比AT切晶片厚50%。晶体随着频率的增加，晶片会薄，可以用于在更高的频率下，特别是需要基频而不是泛音的晶体。不过BT切的温度特性比AT切差。 3.SC切切割角度是基于x,y,z基础坐标的双旋转。双旋转的切角分别为21.93°和34.11°。频率范围一般是0.5~200 MHz。恒温晶振中晶体主要采用SC切割，其开机特性好，频率温度系数好。 4.IT切，厚度切割模式，频率范围在0.5~200MHz之间，与SC切有相似的性能。其频率温度曲线是三阶抛物线，拐点在78℃。 5.音叉晶振的温度特性曲线是负二次方程曲线。呈现出以理想室温+25°C为中心的向下抛物线，温度走低或走高都会使频率稳定度变差。所以需要考虑使用环境温度和精度。

晶振的启动时间是指晶振通电到进入稳定振荡状态所需的时间。这个时间通常由晶振的内部特性和外部电路决定。今天带大家具体了解一下影响启动时间大小的因素吧！ Q值: 品质因数Q值是衡量晶振性能的一个重要参数，为储存能量与损耗能量的比值。高Q值晶振通常启动时间较短，因为能量更快地在晶体中积累并维持振荡。 负载电容: 负载电容是晶振两端接入的电容器值。负载电容越大，启动时间通常越长。较大的负载电容需要更多的时间来充电，从而延长了晶振达到稳定振荡状态的时间。 驱动功率: 驱动功率是晶振工作时所施加的功率。驱动功率越高，启动时间通常越短。较高的驱动功率可以更快地累积能量，使晶振更快达到稳定的振荡状态。但是，需要注意的是，过高的驱动功率可能会损坏晶体。 老化: 晶振老化通常会导致其起振时间延长。频率漂移、Q值降低和谐振阻抗增加是主要的原因。这些变化会使得电路需要更多的时间和能量来达到稳定的振荡状态。 电路设计: 电路的增益、反馈路径的阻抗和其他元器件的选择等会影响启动时间。

石英晶体在设备中用作时间或者频率的基准源。石英晶体谐振器可以当做一个机械振动系统。机械振动系统和电路是“等效”的。 机械振动 如上图，质量-弹簧-阻尼元件可依次对应电感-电容-电阻。另外，驱动力对应电压；质量的位移对应电容上的电荷；速度对应电流。 晶体的振荡能力(Spring)相当于串联电容C1; 振动质量(Mass)相当于串联动态电感L1; 机械损耗(Dashpot)相当于谐振电阻R1。 等效电路 C1: 动态电容由石英的硬度，电极面积，以及晶片的厚度和形状决定的。C1与晶片电极面积(晶体体积)和频率成正比。 L1：晶体的动态电感由石英的机械质量决定，与晶振的频率大小成反比：厚且大的石英晶片震动频率低；薄而小的晶片震动频率高。 R1：该电阻表示晶体在固有谐振频率下的等效阻抗，与Q值成反比。 C0：晶体两引脚之间的电容为静态电容C0。以水晶为介质，由两个金属电极形成的电容，和晶片电极面积(或晶体体积）大小和频率大小正比。