SJ 11212 1999 石英晶体元件参数的测量 第6部分：激励电平相关性DLD的测量

 

中华人民共和国电子行业标准

石英晶体元件参数的测量   

第6部分：激励电平相关性(DLD)的测量               

Measurement of quartz crystal unit parameters -

Part6:  Measurement of drive level depmdence (DLD)

1总则

1.1范围

型网络为基础，适用于该标准所覆盖的整个频率范围。

方法B，是振荡器法，适用于固定条件下大批量基频石英晶体元件的测量。

1.2引用标准

    下列引用标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文口本标准出版    时，所示版本均为有效。所有引用标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨、使用下列引    用标准最新版本的可能性。

    SJ/Z 9154石英晶体元件参数的测量

    SJ/Z 9154.1- 87用型网络零相位法测量石英晶体元件参数第1部分：用行型网络    零相位法测量石英晶体元件谐振频率和谐振电阻的基本方法(idt IEC 444一1：1986)

2 DLD效应

2.1频率和电阻的可逆变化

    可逆变化是，分别在低电平和高电平下进行重复测量后．或从最低电平到最高电平及相    反做连续或半连续测量后，在同一激励电平下出现的频率和电阻的变化，如果这些变化保持    在测量准确度的范围内。

2.2频率和电阻的不可逆变化

    不可逆变化是，在高电平下中间测量后，在低电平出现有频率和（或）电阻的显著变    化。例如，低电平下先前的高电阻在重复测量时变成了低电阻。

    注：若晶体元件几天不工作，当其在低电平下再次工作时，它的电阻可以返回到高的

值。应当特别注意不可逆效应，因为它会对那些只是在偶尔工作的器件性能造成较大的损

害。

2.3 DLD效应的原因

    虽然大多数可逆效应是由于晶体激励电平过载引起的，但是不可逆效应则是由于制造的

原因造成的，尤其是不完善的生产技术所造成。例如有以下原因：

    ——谐振子表面的微粒（由于油、清洗荆、溶荆的局部粘附或静电吸附）；

    ——谐振子的机械损伤（例如，因过于粗糙的磨粒造成的划痕）；

    ——电极中含有气体和油（例如，由于蒸发期间真空度不良或镀膜速率不合适）；

    ——装架时电投接触不良（例如，导电胶金属含量不合适，没有充分地烘烤，或烘烤时

过热；此外还有导电胶与电极或支架间的接触电阻过大）；

    ——支架、电极和石英片之间的机械应力。

3 DLD测量的激励电平

    DLD测量要施加低激励电平和高激励电平（而且可能的话可以有尽可能多的激励电平）。

高激励电平是标称激励电平，即稳定状态下应用的电平。

    应该注意，这个电平应低予附录A中推导出的最大可用电平。如果没有规定，对于AT

切晶体元件，应该采用晶体电流为1mA．相应的速度为0.2m/s时的标准值，然后用规

定的最大和最小电阻的平均值计算激励电平（单位：W）。

    由于测量仪器噪声限值（根据SJ/Z 9154.1约在1nW或10μA下测量），仅在少数情况

下，通过有源或无源测量方法能够确定振荡器起振时出现的最小激励电平。

1m／s，对应子50μA已证明是型网络测量（见方法A）

的实际值。

    在下文中，对DLD测量的两种方法进行说明：

    方法A是以SJ/Z 9154.1的7c型网络法为基础的，它可以在本标准所覆盖的整个频率范围内使用。该方法提供激励电平的快速选择，能通过三次测量序列测量敏感的石英晶体元

件。图l中给出的谐振电阻容许变化是以不同的测量者对晶体元件长期考核为基础并证明是

晶体元件显示起振状态的可靠的标志图，若有必要，本方法也可以采用测量许多个不同的激

励电平进行扩展。但是，实际中，大多数情况(见4.lb)是没有必要的。

    方法B是振荡器法。在经济性方面，该方法特别适用于固定测量条件（最大激励电平

）的大批量基频石英晶体元件。

    在特殊情况，若推荐的测量技术不适用，用户可以制作一个低反馈振荡器，或制作一个

适用的滤波器。

    建议：这两种方法虽可用于各类晶体元件，但是，

    ——方法A推荐用于滤波晶体和比对测量；

    ——方法B推荐用于振荡器晶体和合格或不合格判定测量。

4试验方法

4.1试验方法A（矗型网络法）

    a)两激励电平试验

    按第3章规定，根据SJ/Z 9154.1测量频率和谐振电阻，在低的和高的和激励电平下进

行试验。其电流电平的允许偏差为±10%，功率电平的允许偏差为±20%。

    1)在105℃至少存放ld后，在室温至少存放2h，或在室温存放一周。

    2)低激励电平下测量(50μA):  ，。

    3)高激励电平下测量(1mA)：，。

    4)低激励电平下测量(50μA): ，。

    5)计算。应小于图l绘制线段上给出的最大值(横座标=)。

    容许的频率变化应为5×，除非详细规范另有规定。

    6)计算。应小于(+1)／2．值取图1给出的值(横座标= )。

    容许频率变化应为2.5×，除非详细规范另有规定。

    b)按规范的试验

    按a）的规定，在低电平到高电平下进行试验，并再返回到低电平。必要时，这两个电

平和其他更多的电平及允整、频率和电阻的允差及贮存条件应在详细规范中规定。

    注：给定的曲线已被许多类振荡器用晶体元件积多年经验获得的结果证实。大多数

情况下，在值下起振顺利，但在晒界振荡器结构中可能出现一些问题。

    由于不可能制造出在任何一激励电平下谐振电阻均不变的晶体元件，推荐的曲线给

出的是允许的关系曲线。

4.2试验方法B(振荡器法)

    为检验整个激励电平范围内的DLD效应，4.1中规定的方法是非常不经济的，而且，该

方法不适合于100%的合格或不合格判定试验。下面推荐的方法测试晶体元件起振期间的最

大的是很经济的。本试验方法可用于100%的最后检验，也适用于100%的进货检验。本

方法还可以被作为一种仪器，以判断晶体元件是否符合详细规范中规定的要求。

    振荡器中晶体元件的作用可由图2表示。

振荡条件：

—— 环路增益>l，表明>

  ——振荡器输入的反馈信号应当有正确的相位

图2振荡器中的晶体元件的接人

当电路的的值小于晶体元件时，电路将不产生振荡。

起振期间，晶体元件的相当于图3所示的情况。

图3晶体元件损耗电阻随耗散功率的变化关系

    注：比值/是不可再现的值，因为晶体元件的曲线在不同的测量循环中有轻微的偏移。

    晶体元件经数次测量时，特性雎线向右或向左缓慢移动或逐渐平坦。

    比值=/也可能会因每次测量而不同，即使值达到某一确定值（临界值），该比值也并不意味着振荡器可能停止工作。其最重要的意义是晶体元件呈现的最大与振荡器电路的值之间的保险裕度。

    建议  电路应取≥，因为，在温度范围内和一样都会偏移。

  起振期间，激励电平从低的值（图4曲线图的左侧）移向标称激励电平。

  测量原理（见图5）

  试验装置由一个在宽温范围具有纯负阻的经过精心设计的晶体振荡器、一个晶体元件耗

散功率限值达1mW的反馈网络和一个带有LED目测指示的检测器电路组成。

图4   石英晶体元件的状态

图5试验方法B的方框图

    振荡器的负电阻（及其DLD拒收水平）因与振荡器串联的一个正电阻器连接而可以改

变，用这种方法可以选择0Ω至200Ω之间的任一数值。将具有足够低的值的晶体元件连

接到试验夹具之间，将会从最初的噪声电平(约W至W)开始到1mW限定点建立起振荡，如图6所示。

    起振期间，晶体元件的与校准过的-连续比较，并检测出结果且转换为合格／

不合格判定。

    如果被试验晶体元件达到某- DLD值时，振荡幅度可能达不到1mW的限定值（图7的

B点）。图7给定的例子中，已建立的振荡在低得多的激励电平(A点)下结束。通常这种情况下，观察不出振荡，只有用非常灵敏的仪器才能检测出某些振荡。

    若晶体元件达到1mW电平(B点)，LED指示灯就照亮。即意味着石英晶体元件的谐振

电阻并没有超过起振期间的拒收水平值。

    本测量方法的优点是快速、易校准、经济且装置简单。详细的电路图按图8所示。该装

置是市场上可以买得到的。

图6在扫描激励电平范围内建立的- 曲线

图7方法B的试验中，阻止已建立的- 成为试验

限值，起激励电平焦点作用的石英晶体元件的激励电平状态

    推荐元件表：

  晶件管BFR92A型                  二极管        BAT17

  晶件管BFR101A型                 二极管        BAT17

  晶件管BFR92A型                  二极管        4V7

  晶件管BC850C型                  二极管        LED型

  晶件管BC860C型

图8   方法B合格／不合格试验电路主示意图

 

附录A

（标准的附录）

石英量体元件的激励电平和机械位移之间的关系

    晶体元件的功率损失（W）由下式给出：

式中：

    ——通过晶体元件的电流，A；

    ——动态电阻，Ω。

    无功功率由下式给出：

式中：——谐振频率，Hz；

         ——动态电容，F；

         ——品质因数。

    电能（瓦特秒）由下式给出：

   

晶体元件的机械能可由下述关系描述：

   

    （动能）

    （弹性能）

     (势能)

    =（加速度功）

    （密度）

式中：

——振动区域的体积，；

    =ds／dt——速度，m/s;

    c——振动模的弹性模量(对AT切晶体元件，c=)；

    X=／l——延伸率；

    s——距静止位置的偏移，m；

    b————加速度，；

    n——泛音次数。

    体积可以由电极面积和电极间距d计算。

    根据静电容：

    ≈

式中：

    ——AT切石英材料的相对介电常数，等于4.54；

——电场常数，等于8.86×l0F/m；

    N——频率常数，等于，f×d／n(对AT切晶体元件N=1665 Hz·m)；

    n——泛音次数。

    我们得到下式：

      

    且根据机构振动的最大速度，最大延伸率，最大偏移或最大加速度所得劲的最大电流：

，式中

，式中

，式中

，式中

    对非凸面AT切晶体元件，下列公式也适用：

    ≈（n为泛音次数）

    一般取=5pF，可得到下列数值：

    = 50μA                =1mA

    = O.01m/s                =0.2m/s

    = 1.8×             =3.6×

    在f= 10MHz时：

    = 6.7×m            =1.3×m

    = 2.6×         =5.3×

    在f=100MHz时：

    = 6.7×m            =1.3×m

    = 2.6×         =5.3×

    由每个型号晶体元件的极限条件引起的最大电流或最大电平取决于石英晶体元件的频

率、品质蹰数和振动模式及其振动区域的体积。这些器件在振荡器和滤波器中应用时，不应

超过其最大电流或最大电平。

    最大激励电平应选取为激励电平的150%，此时电阻既不增大10%，频率变化也不能超

过0.5×，且应可逆。

 

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