晶體元件的壽命（晶體的電氣特性）

2023-08-14 05:41:32 1

圖1是一款32.768kHz的無源晶體振蕩器的電器參數。本篇將為大家解讀各個參數的含義

圖1 一款32.768kHz晶體的電器參數

圖2、石英晶體等效電路

1、一般頻率(Nominal Frequency)

指晶體諧振基頻頻點，我們選擇32.768kHz的晶體，它的基頻頻點就是32.768kHz。

2、振蕩模式(Oscillation Mode)

一般分為基頻(FUNDAMENTAL MODE)和泛音(OVERTONE MODE)兩種振蕩方式。晶片越薄，振蕩頻率就越高。由於工藝的限制和晶片破裂的風險，晶片不能無限的薄。為了達到高頻，上百mhz的晶體一般採用泛音晶體。20mhz基頻的晶片，經過五次泛音就可達到100mhz。泛音晶體需要電感和電容的配合才可以得到理想的頻率; 若不加,則會輸出基頻。

3、負載電容(Load Capacitance)

負載電容是選購晶體必選的參數之一。晶體的頻率會根據串聯的電容電抗而改變。在串聯諧振型電路中，不需要負載電容。CL值大，遠端相位噪聲好。如果過大，則會難調整到標稱頻率，不易起振。CL值小，近端相位噪聲好，容易調整頻率，容易起振

4、頻率公差(Frequency Tolerance)

常溫25℃下，一定的負載電容的晶體頻率公差，加工誤差。一般頻差調整為±5ppm ~ ±30ppm。

5、等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance)

又叫做諧振電阻，簡稱為ESR, 表徵能耗，與Q值成反比。Q值是由生長的水晶料品質決定的，Q值越高，固有頻率則越穩定。小型化尺寸晶體的諧振電阻會增大，負載電容會降低。

6、驅動功率(Drive Level)

晶體的驅動/激勵功率是指晶體正常振蕩時最大的消耗功率，一般是以微瓦(uw)表示。振蕩電路必須提供足夠的驅動功率來補償晶體在共振時的機械能損失。振蕩電路若提供過高的激勵功率, 會使晶體的非線性特性變化, 進而可能造成振蕩頻率FL不穩定及等效阻抗ESR的過度變化。

晶體的規格書中一般會給出激勵功率的最大值，如10uw。這並不是說晶體能承受的最大激勵功率是10uw，而是晶體最大只需要10uw的激勵功率就能維持正常振蕩工作了，晶體可以承受比10uw大的多的激勵功率。

根據協議標準，晶體能夠承受的激勵功率在1mw之內，在設計晶振電路時，應檢查IC的激勵功率，若IC的激勵功率大於1mw，則電路中需要增加限流電阻；若小於1mw，則不需要加限流電阻。現在IC的激勵功率也是越做越小，一般都不會大於1mw。

7、斜率(Parabolic Coefficient)

由於其獨特的形狀，音叉晶體不能在較寬的溫度範圍內提供較高的精度。它們的溫度精度可以繪製為溫度的拋物線曲線。這個精度通常是±20ppm在室溫或大約 25°C。這相當於每天增加或減少1.7秒的時間，或每年10.34分鐘。圖1顯示了在極高溫和極低溫下精度的下降。在這些溫度下的典型精度遠遠低於±150ppm，這相當於每天損失近13.0秒的時間，或每年約1.3小時。32.768 kHz音叉晶體的常見拋物係數為0.04 ppm/°C2。

8、動作溫度(Operating Temperature)

工作溫度範圍。

9、儲存溫度(Storage Temperature)

物料存儲溫度範圍。

10、年老化率(Aging/Year)

頻率隨著時間的定向漂移，也稱為老化。老化在學術界被認為是『質量遷移』和『應力馳豫』這兩個原因產生的。

11、絕緣阻抗(Insulation Resistance)

晶體的兩焊接端之間的電阻。

12、並聯電容(Shunt Capacitance)

晶體兩引腳之間的電容，是以水晶為介質，由兩個金屬電極形成的電容，和晶片電極面積(或晶體體積）大小和頻率大小正比

13、動態電容(Motional Capacitance)

等效電路中動態臂裡的電容。它的大小主要取決於電極面積，另外還和晶片平行度、微調量的大小有關。

14、品質因素(Quality Factor)

即Q值是晶振的一個很重要的電氣參數，它與晶體振蕩器的頻率穩定性有著密切的關係。對於石英晶體，品質因數Q是很重要的一個參數。Q值越高，表示晶體損耗小，晶體工作穩定，則頻率穩定性越好。晶體的品質因數通常都很高，在幾十萬甚至幾百萬以上。

石英晶體的品質因數是由它的動態參數決定的，在其等效電路中可以清楚地看到：

R1 、C1、 L1是與石英晶體諧振器有關的參數，而C0則與石英晶體諧振器頻率沒有關係。

晶振諧振迴路的品質因數的定義：Q=

由上式推導出品質因數Q: Q=

R1代表迴路損耗，R1越小損耗越小，Q值越高，反之R1越大，Q值越低。若把它作為一個自由振蕩迴路，則可說明迴路維持等幅振蕩的情況，Q值高時振蕩衰減減慢，Q值低時振蕩衰減快。