很多采購和工程都知道，使用的石英晶振是越小越好，而且小封裝的MHZ晶振雖然很小，但是穩(wěn)定性和精度一般會比較高，可以滿足中高端產(chǎn)品的需求。貼片晶振實現(xiàn)小型化是經(jīng)過幾十年國內(nèi)外頻率元件工程師們不懈的努力，和不斷的研究開發(fā)才得到的結(jié)果。目前市場上比較常見的SMD型小尺寸有7.0*5.0mm，6.0*3.5mm，5.0*3.2mm，3.2*2.5mm，2.5*2.0mm和2.0*1.6mm等，但這幾年已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的封裝。
最近制造和封裝技術的進步使小尺寸的MHz石英晶體可用到1.6mmx1.2mm。通常，較大尺寸的石英晶體可以輕松處理高達1mW的驅(qū)動電平。隨著石英晶體尺寸的下降，晶體散裝材料可以處理越來越少的功率。本文將回顧當今小尺寸石英晶體低驅(qū)動水平規(guī)格背后的原因，并定量討論小尺寸石英晶體的老化結(jié)果，驅(qū)動接近1μmW。
十年前這被認為無法實現(xiàn)。由于符合人體工程學的考慮，智能手機等便攜式設備似乎沒有變小。但是，越來越多的功能被打包到它們中。便攜式設備供應商繼續(xù)要求越來越小的組件。零部件供應商通過迎接挑戰(zhàn)繼續(xù)重塑自我。通常，較大尺寸的石英晶體可以輕松處理高達1mW的驅(qū)動電平。隨著石英晶體尺寸的下降，晶體散裝材料可以處理越來越少的功率。對于最小尺寸的石英晶體諧振器，供應商通常會指定低至100μW的最大驅(qū)動電平，并建議將10μW驅(qū)動電平用于正常使用。當詢問如果操作驅(qū)動水平超過最大驅(qū)動水平規(guī)格會發(fā)生什么時，供應商通常會定性地響應-石英晶體可能看到過度老化，可能會看到頻率擾動，并且可能在最嚴重的情況下破碎。本文將回顧當今小尺寸石英晶體低驅(qū)動電平規(guī)格背后的原因，并定量討論2.5mmx2.0mm基本20MHz石英晶體驅(qū)動接近1mW的老化結(jié)果。
小尺寸的石英晶體：
由于目前小尺寸石英晶體仍采用“單一”方法制造（與CSP和WLP方法形成對比），最小的預制-SPAWDA，深圳，2011年市場上的石英晶體不是必需的最高的體積和最具成本效益。小尺寸密封石英晶體通常由三個關鍵部件組成-高溫共燒陶瓷（HTCC）基座，鍍鎳可伐合金金屬蓋和石英晶體。石英晶體供應商通常以片陣列的形式接收陶瓷基底。供應商在清潔過程后將陣列分成單獨的基底，然后通過單一方法進行剩余的晶振生產(chǎn)。大批量出貨的最小石英晶體為1.6mmx1.2mm（1612）（圖1）。最有能力的供應商準備采樣1.2mmx1.0mm（1210）。1.0mmx0.8mm（1008）也正在計劃中。

圖1-1.6mmx1.2mm石英晶體來自TXC公司

表1列出了目前六個不同供應商提供的最小的石英晶體。一個值得注意的經(jīng)驗法則是，隨著尺寸變小，在較低頻率下維持低情感電阻（Rm）變得更加困難[2]。這促使一些供應商使用不同切割的Lamé模式（與AT切割的厚度-剪切模式相反）石英晶體在一些特殊應用中以3.5mmx2.5mm（3225）封裝實現(xiàn)4MHz。

表1來自六個不同供應商的小尺寸石英晶體（公共領域信息）

另一個經(jīng)驗法則是供應商指定較低的最大驅(qū)動水平，因為石英晶體變小。早期評論的作者之一，“......在許多應用中，設計師通常更喜歡在產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品生命的早期階段使用晶體振蕩器。當產(chǎn)品得到廣泛認可時，設計師傾向于轉(zhuǎn)而使用石英晶體作為降低成本的一部分......“節(jié)省成本對設計師來說很有吸引力。然而，設計人員不得不努力指定具有正確負載電容，最大Rm，正確頻率設置容差（ppm）等的石英水晶振子，以確保其自身電路中的正常振蕩。保持足夠大的負阻抗Rm比（通常>5）并在規(guī)定的最大驅(qū)動電平內(nèi)驅(qū)動晶體是正常振蕩的重要因素。
驅(qū)動水平：
圖2描繪了典型的皮爾斯振蕩電路，其中晶體以其并聯(lián)諧振（fp）驅(qū)動。Rf是反饋電阻，其通常嵌入在振蕩器電路（片內(nèi)）內(nèi)，以便為反相放大器提供DC偏置。對于基頻MHz石英晶體振蕩，Rf約為1MΩ。Rd是控制電阻，可以在芯片外實現(xiàn)以限制流入石英晶體的電流并調(diào)節(jié)振蕩電路的可用負電阻。它的值可以是幾Ω到kΩ的任何值。

圖2典型的皮爾斯振蕩器電路

提供與石英晶體的組合負載電容（CL）。石英晶體消耗的功率Pc可近似為[5]-

V是振蕩器驅(qū)動電壓。Ce等于Co+CL，其中Co是石英晶體的靜電容。以2.5mmx2.0mm12MHz石英晶體為例，Co為0.6pF，CL為12pF，Rm為90Ω，驅(qū)動電壓為1.8V，耗散功率約為120μW。注意，在存在Rd的情況下，石英晶體上的實際電壓不再等于振蕩器驅(qū)動電壓。如前一節(jié)所述，隨著石英晶體變小，供應商指定較低的最大驅(qū)動電平。物理推理很清楚，因為較小尺寸的石英晶體消耗能量的可用材料較少。它也可以從Eq。1較高的Rm消耗更多的功率，這是較小的石英晶體的典型特征。設計人員熟悉頻移與CL（可拉性）的一般趨勢，如圖所示
我們在圖中包括改變控制電阻Rd的值的效果。已知更改CL會更改驅(qū)動器級別（如公式1所示）。它當然也改變了振蕩電路可用的負電阻。圖4和圖5組合了這些變化，并改變了Rd值。如今，許多SMD晶振供應商為客戶提供振蕩電路和石英晶體匹配的免費電路分析服務，從而限制功率驅(qū)動到不斷減小尺寸的石英晶體并保持足夠大的負阻抗Rm比。

圖3.具有不同Rd的頻率與負載上限

圖4.驅(qū)動電平與負載電容的變化路徑

圖5.具有不同Rd的負阻與負載上限

過度驅(qū)動的石英晶體的老化：
即使有了早期規(guī)劃，一些客戶偶爾會發(fā)現(xiàn)他們在產(chǎn)品開發(fā)即將結(jié)束時過度驅(qū)動石英晶體。到那時，電路板設計是固定的，客戶不再能夠調(diào)整CL，調(diào)整（或添加）Rd，或改為更大尺寸的石英晶振。如引言部分所述，已知石英晶體在高驅(qū)動下老化得更快。然而，作者并未發(fā)現(xiàn)任何已發(fā)表的高驅(qū)動小尺寸石英晶體老化數(shù)據(jù)。我們這里的研究是在2.5mmx2.0mm20MHz的銀電極石英晶體上，典型的Co為0.64pF，CL為16pF，Cl（運動電容）為1.95fF，Rm為~25。最大驅(qū)動電平規(guī)格為100μW。頻率規(guī)格在25±3ºC時＜±7ppm，在-20至70ºC時＜±10ppm，在第一年老化時＜±3ppm。石英晶體經(jīng)過了常規(guī)的可靠性鑒定，包括在85ºC下加速老化測試（100μW耗散）1000小時。在測試結(jié)束時，石英晶體的漂移小于1ppm。相同的石英晶體的兩組（每組六個器件）分別使用具有C1=C2=15pF的7400IC在650μW和950μW耗散下進行相同的加速老化測試。第一組在85℃下老化至1,000小時（圖6）。第二組在85℃下老化至1,500小時（圖7）。

圖6.650μW耗散時的加速老化試驗

圖7.950μW耗散時的加速老化試驗

第一組石英晶體在1000小時后老化2至3ppm。第二組在1,000小時后老化3至5ppm，在1,500小時達到3.5至6ppm。第二套也開始在~1,100小時出現(xiàn)穩(wěn)定跡象。對于所有12個石英晶體，沒有觀察到Rm的顯著增加。由于石英晶體在25ºC的溫度范圍內(nèi)總共具有±17ppm的頻率容差，并且在整個工作溫度范圍內(nèi)，并且預計Oscillator不會在85ºC連續(xù)運行，因此客戶可能對頻率漂移和振蕩器沒有任何問題。即使它們在規(guī)格上推動這種特定的石英晶體方式，對Rm比率的負阻力也是如此。
小尺寸（2.5mmx2.0mm）20MHz石英晶體，最大驅(qū)動電平為100μW，在650μW耗散時加速老化至85ºC至1,000小時，在950μW耗散時加速至1500小時。正如預期的那樣，在高頻驅(qū)動下觀察到頻率高于正常漂移（在這種情況下為向下）。盡管觀察到石英晶體的運動阻力和nocatastrophic失?。ňw破裂或破碎）沒有顯著增加。這種特殊的石英晶體的結(jié)果令人鼓舞。然而，作者打算僅提出高驅(qū)動老化結(jié)果，他們確實推動石英晶體超出供應商規(guī)定的最大驅(qū)動水平，因為還存在其他問題，例如在高驅(qū)動下出現(xiàn)可能的活動傾角，噪聲增加等等。正在計劃對最小貼片晶振進行更系統(tǒng)，更全面的研究。
過度的驅(qū)動也會影響石英晶體或振蕩器的壽命和工作效應，MHZ石英晶振常用的激勵功率通過是10μW~100μW，而32.768K晶振則可以低至0.5μW~1μW，在這些范圍內(nèi)都不算過度驅(qū)動，性能會比較穩(wěn)定。

正在載入評論數(shù)據(jù)...

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過度驅(qū)動下小封裝MHZ石英晶振的老化性能

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