EPSON 石英組件基礎(chǔ)說明

石英組件(石英晶體/石英晶體諧振器)概述

石英晶體諧振器(英文：Quartz Crystal Unit或Quartz Crystal Resonator，常簡寫成X’TAL)，簡稱石英晶體。是利用石英(又稱水晶)的壓電效應(yīng)，用來產(chǎn)生高精度振蕩頻率的一種電子組件，屬于被動組件。石英晶體的用途是什么呢？當(dāng)電子設(shè)備在積體電路(IC)上運行時，IC需透過參考時脈做為IC系統(tǒng)訊號使用，石英晶體就像是時鐘的基礎(chǔ)信號源。如果以人體為例，可以把石英晶體想象為心臟跳動時的血液頻率和脈搏率。

石英(水晶)的特性：

石英有天然石英和人工石英。天然石英和人工石英均為多面體形狀。目前電子組件所使用的主要是人工石英材料，主要成分為氧化硅之結(jié)晶體SiO2，同時具有(正)壓電效應(yīng)以及逆壓電效應(yīng)的物理特性。由于石英晶體同時存在(正)壓電效應(yīng)以及逆壓電效應(yīng)，進而形成周期性振動，所以利用此效應(yīng)可得到石英晶體振動頻率。(正)壓電效應(yīng)，當(dāng)施加壓力在石英表面時，石英表面的兩邊會產(chǎn)生正電位和負(fù)電位，若將壓力改為拉力時，石英表面兩邊的電位會互換，而對于此物理現(xiàn)象，稱之為壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)是一種機電能量互換的現(xiàn)象。而逆壓電效應(yīng)，則是以電能輸入使之產(chǎn)生機械能或位移(形變)的輸出。如果把交變電壓施加到石英芯片兩面之間的電極時，當(dāng)交變電壓的頻率與石英芯片固有頻率一致時，通過逆壓電效應(yīng)，芯片便會產(chǎn)生機械振動，同時又通過正壓電效應(yīng)而輸出電信號，如此交互的動作下持續(xù)產(chǎn)生頻率，而石英材料的壓電效應(yīng)是有方向性的，只在電氣軸方向才具有壓電效應(yīng)。
而具有這種特性的材料，我們稱為壓電材料，所以石英組件也稱為壓電組件。

石英(水晶)切割方式與振動模式：

而石英組件是采用人工水晶做為基本原料，而人工水晶會依各個結(jié)晶軸而呈現(xiàn)不同的成長速度，
所以外型與我們一般常見的天然石英也有所不同。石英晶體依照切割角度的不同，會得到不同的振動模式。其切割角度方向如圖1所示。
圖1. 在Z-plate石英結(jié)構(gòu)上，有幾種不同角度的切割方式

                     

               圖1. 在Z-plate石英結(jié)構(gòu)上，有幾種不同角度的切割方式

而其中從Z軸以35° 15’的角度切割后所得的石英芯片，便稱為AT Cut石英晶體(諧振器)，以厚度切變進行振蕩動作；而BT Cut則是以-45°的角度切割后所得的組件。
AT和BT石英晶體切割方式，其頻率范圍和頻率系數(shù)(石英芯片厚度和振蕩頻率間關(guān)系)如表1。

表1. 芯片厚度與頻率的關(guān)系

石英晶體的頻率溫度特性，依其曲線形狀分為兩種類型；一個是三次曲線，另一個是二次拋物曲線。AT 和 BT 切割方式的頻率溫度特性曲線，則分別顯示在圖 2。然而與AT Cut相較之下，BT Cut在溫度特性精確度上較為不足，因此現(xiàn)在幾乎已不再使用此種切割方式。目前采用AT Cut切割方式的石英晶體使用最為廣泛，因為它們能夠根據(jù)在以室溫為基準(zhǔn)的溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生更小因為溫度變化所產(chǎn)生的頻率誤差變化量。。

- 不同切割模式下頻率變化與溫度關(guān)系

                                     圖2. 溫度特性曲線

(左圖為AT-Cut切割方式；右圖為BT-Cut切割方式)

- 依振動模式的區(qū)分

目前多以AT cut切割方式為主，故以AT Cut為例說明，如圖3所示。

圖3. 厚度切變振動模式 (AT-Cut, Thickness shear vibration)

石英晶體組件等效電路

圖4為石英晶體組件簡化后的等效基本電路。

           

圖4. 石英晶體等效電路

-   串聯(lián)電阻(R1)：Equivalent Series Resistance

石英晶體的等效串聯(lián)電阻是以歐姆為單位(kHz range產(chǎn)品，單位為kΩ ; MHz range產(chǎn)品，單位為Ω)。在等效電路中的串聯(lián)電感(L1)，和串聯(lián)電容(C1)，兩個是相位相反(差180?)的相等阻抗。在有負(fù)載的振蕩電路時其結(jié)果是相互抵消的，只剩下電阻(R1)特性，來形成串聯(lián)諧振。在串聯(lián)諧振量測石英晶體阻抗(CI, Crystal Impedance)時，通常會稱此為等效串聯(lián)諧振電阻(ESR)，代表振蕩能源的損耗(如振蕩時所產(chǎn)生的內(nèi)部摩擦、與石英芯片維持相關(guān)的機械性損耗)。

-   等效串聯(lián)電感(L1)：Equivalent Series Inductance

石英晶體本身物理性質(zhì)，與諧振頻率有關(guān)，代表振蕩部位的質(zhì)量。又稱為動態(tài)電感(Motional Inductance)。

-   等效串聯(lián)電容(C1)：Equivalent Series Capacitance

石英晶體本身物理性質(zhì)，與諧振頻率有關(guān)，代表石英芯片的順應(yīng)性(Compliance)，所以又稱為動態(tài)電容(Motional Capacitance)。

- 并聯(lián)電容(C0)：Shunt Capacitance

石英芯片的兩面電極間的靜電電容，并聯(lián)電容的特性表示與石英的介電系數(shù)、石英芯片兩電極的面積大小，以及石英芯片基座的雜散電容量有關(guān)，由于與晶體諧振頻率無直接關(guān)連，又稱為(靜態(tài)電容, Static Capacitance)。下一系列產(chǎn)品技術(shù)文件 - (2)，將會再說明”石英晶體等效電路與振蕩頻率特性”

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