无源晶振测试参数 -- 谐振频率FR和FL

石英晶体作为时间或频率基准源,其性能直接影响系统的稳定性和精度。了解串联谐振频率FR和负载谐振频率FL这两个关键参数,可以有效改善电路设计,确保系统在各种条件下稳定运行。

串联谐振频率 FR

FR(Series Resonant Frequency)是指晶振在没有外部负载电容的情况下,由晶体本身的机械和电气特性决定的自然振荡频率。

  • 等效电感L1: 由石英的机械质量决定的。
  • 等效电容C1: 由石英的硬度,电极面积,晶片的厚度和形状决定的。通常,较大的晶片,通常有较低的谐振频率。

在 FR 时,晶振的等效电路表现为一个纯电阻,这时电路的阻抗最低,能量传输效率最高。它是晶体的固有频率,不受外部电路的负载电容影响。这个频率是晶体本身的特征,由晶体的几何结构,和材料性质决定。

负载谐振频率 FL

FL(Load Resonant Frequency)是晶振在25℃和特定负载电容条件下测出来的实际工作频率。FL也被称为调整频率或调整频差。

FL的值通常比FR大,因为负载电容引入了相移和改变了电路的共振条件。通常用ppm来表示负载电容对晶振频率的变化。FL误差值越小,越容易调整电路稳定性。

TS频率灵敏度表示晶振频率随着负载电容变化而产生的变化量,单位为ppm/pF。调整频差FL和负载电容CL的关系:

测试数据

S&A250B晶振测试设备中包含FL和FR参数的测试。以下为KOAN无源晶振KX70, 8MHz频率的实测数据:

  • FR为-152.16ppm

    晶振的串联谐振频率FR比其标称频率低152.16ppm。这是晶振在无负载电容的情况下的频率偏差。这种偏差可能是由于晶振的制造误差、材料特性或温度变化引起的。

  • FL为1.05ppm

    在特定负载电容条件下,晶振的频率相对于标称频率的偏差为1.05ppm。在负载电容的影响下,晶振的频率变化非常小,频率稳定性较好。

  • 测试结果表明

    尽管晶振的FR存在较大的偏差,但在负载条件下的FL稳定性良好。该晶振在实际工作条件下的性能较为稳定。尽量确保负载电容与晶振的设计负载电容匹配,以维持最佳性能。

### 40MHz无源晶振的等效电路参数 对于40MHz无源晶振,其等效电路模型通常由串联谐振电感\(L_s\)、串联谐振电阻\(R_s\)、串联谐振电容\(C_0\)以及并联负载电容\(C_L\)组成。这些参数共同决定了晶振的行为及其工作频率。 #### 等效电路模型描述 在一个理想化的条件下,40MHz无源晶振可以用下述简化形式表示: - **串联支路**:包括一个理想的线圈(代表电感 \( L_s \)),它反映了机械振动的能量存储;还有一个小阻的理想电阻(代表电阻 \( R_s \)),用于模拟内部损耗。 - **并联回路**:存在两个电容器件,分别是固有电容 \( C_0 \),这是由于石英片本身的物理性质而产生的寄生效应;另一个则是外部施加给系统的负载电容 \( C_L \)[^1]。 #### 参数计算方法 为了求解上述提到的各项参数,特别是针对特定应用场景下的优化设置,可以通过以下方式来进行估算或实测获取: - 对于 \( RS \) \( C0 \),需要借助专门的测试设备来直接读取晶振自身的特征属性。 - 负载电容 \( CL \) 的选取则依赖于具体的应用环境技术规格书的要求。一般而言,制造商会在产品文档中给出推荐数作为参考依据。实践中也常采用经验法则将其设定为目标匹配电容的大约1.5倍左右[^2]。 此外,考虑到实际操作过程中可能遇到的各种不确定因素,建议通过实验手段验证理论推导的结果是否合理有效。例如,利用具备Clock Out特性的时钟芯片辅助完成间接测量任务,从而确保所选用的元器件能够在预期范围内正常运作[^3]。 ```python # Python代码示例展示如何基于已知条件简单估计CL def estimate_CL(target_matching_capacitance): """ 假设目标匹配电容为target_matching_capacitance, 返回经验下的负载电容CL。 :param target_matching_capacitance: float, 单位pF :return: float, 经验负载电容CL单位pF """ return target_matching_capacitance * 1.5 print(f"Estimated Load Capacitance (CL): {estimate_CL(18)} pF") # 示例假设目标匹配电容为18pF ```
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