晶振的牵引率Pullability及TS敏感度Trim Sensitivity

作者:晶诺威科技

时间:2021年11月30日

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晶振的牵引率(Pullability)及敏感度(Trim Sensitivity)解释如下：

（晶振TS曲线）

石英晶振应用在并联振荡线路上,振荡频率与负载电容CL有很大的关系，是以并联振荡线路上FL频率对负载电容CL的变化曲线。

频率的“牵引率”(Pullability)指的是负载电容CL1的频率FL1到负载电容CL2的频率FL2的频率变化，可以是FL1(CL=24pF)与FL2(CL=10pF)的频率变化值。假设频率牵引率是220ppm，若我们将CL1与CL2的负载电容值趋近极小化,就会得到曲线的切线值。这个切线值就是用某一个负载电容的敏感度(trim sensitivity)， CL=24pF时的频率敏感度是10ppm/pF,及CL=10pF时的频率敏感度是20ppm/pF。

在并联线路中,负载电容越小,频率对负载电容变化的敏感度越高。相反的,负载电容越大,频率对负载电容变化的敏感度越低。这就是石英晶片用于VCXO线路上时,线路设计上会选用较小负载电容的原因。反之,在要求较准确的频率信号时,线路设计上会选用较高的负载电容。

相关晶振名词解释

公称频率及容许误差(Nominal Frequency and Tolerance)

在正确的振荡线路匹配下,从振荡线路输出的频率,称之为“公称频率(nominal frequency)”。频率单位为MHz或KHz。实际的批量生产及振荡线路应用上,产品在室温环境(25°)中都会有一些相对于中心频率的频率散布误差，这类型的频率容许误差的最大散布值,一般是以ppm(parts per million)。
频偏误差PPM的计算公式如下：频偏误差=（量测频率值–中心频率值）/中心频率值x1,000,000。

例如FC-12M的32.768kHz晶振，若误差为±20ppm，则说明最差情况下误差频率为32.768kHz*20/1000000=0.65536Hz。

1天需要振荡24x60x60x32768次，如果出现偏差为-20ppm则1天多振荡24x60x60x0.65536次，则是多了1.728秒。反之，如果出现偏差-20ppm则1天少振荡24x60x60x0.65536次，则是少了1.728秒。

也可以这样计算：24x60x60x20ppm=1.728秒。

负载电容(Load Capacitance,CL)

振荡电路上的”负载电容(loadcapacitance)”定义为:从无源石英晶振的两个管脚看向振荡线路所遭遇到的所有电容值。负载电容在线路上可以与石英晶振以并联(parallel)或以串联(series)的方示连接。以并联方式连接的振荡线路中,负载电容(CL)的大小会影响公称频率的特性。这种负载电容并联线路的共振频率以fL表示。

频率对温度稳定性(Frequency-Temperature Stability)

石英频率因温度变化而改变,这是因起于石英材料在各个坐标轴向的热膨胀系数不同,当温度变化时,各轴向晶格距产生些许变化.当引用不同的切割角度时,不同振荡模态的之变化也会不同。

以AT切割角度的厚度剪切振荡模态的设计,一般是采用摄氏25度作为参考温度点的频率来定义在工作环境温度范围内的频率变动的稳定性。在定义这项频率对温度稳定性参数的同时,也应该一同规范出相对应的工作环境

温度范围(Operation Temperature Range)

石英频率组件频率对温度稳定性的特性,亦如同公称频率误差一样,是以ppm为计量单位。组件的频率温度特性曲线与石英的切割角度,振荡模态,表面处理及外型尺寸都有很大的关系。除此之外,振荡线路上的负载电容(CL),驱动功率(drive level)的特性,也会影响到振荡线路输出频率对温度变化的稳定性。

等效串联阻抗(Equivalent Series Resistance,ESR)

当石英晶体串联振荡在fs时,C1及L1是相反相位而互相抵消,整个共振子的动态支臂(motional arm)的导纳(admittance)是接近最小阻抗值R1，这时候整个石英晶振的表现仅是一个电阻性的组件。电阻值R1是整个组件的机械性能量损耗，其中包含了石英材料,接着材料及封装材料上所有的能量损耗。

负性阻抗(Negative Resistance,-R)

负性阻抗是指从石英晶振的二个管脚往振荡线路看过去,所遭遇到振荡线路在振荡频率时的阻抗特性值。振荡线路上必需提供足够的放大增益值来补偿石英晶片在共振时的机械能损失。负性阻抗并不是石英晶振的产品参数,却是振荡线路的一项重要特性参数。从石英晶振角度而言,就是在振荡线路的”负性阻抗”。

负性阻抗并非真实发生的阻抗值，而是在石英晶体旁边外加一个电阻（RS），去仿真石英晶体内部的ESR被加大时，整个振荡线路是否仍能被正常起振。负性阻抗的量测值越大越好，这表示此一振荡线路越容易被起振；负性阻抗值不足时，则表示此一振荡线路会有起振过慢的现象，甚至可能导致不起振的狀况发生。负性阻抗的判断基本值是石英晶体最大ESR值的3~5倍。

驱动功率(Drive Level)

石英晶体的驱动功率是指石英晶体共振子的消耗功率，一般是以微瓦(microwatt)表示。振荡线路的设计上必须提供适当的功率让石英晶振开始起振并维持振荡。石英晶体的振荡是属于物理上的高频机械振动,振荡时的电气阻抗值约在10~100Ω以下(依频率范围及尺寸大小有差异)。振荡线路若提供过高的驱动功率,会使石英晶体的非线性特性变化及石英/电极/接着材料的接口恶化,进而造成振荡频率FL及等效阻抗R1的过度变化。石英晶体在长时期的过高驱动功率下工作,会有不稳定的现象。

随着各类应用面的低消耗功率需求及产品小形化趋势,加上近几年石英产品的技术大幅提升,石英晶振的电气阻抗值整体都下降而且稳定。振荡线路的设计不需要,也不应该提供过高的驱动能量在石英晶振上面。对于绝大部份的应用面而言,振荡线路提供10~100微瓦(microwatt)的最大功率给无源石英晶振已足够。