【技术】厚度切变石英晶体元件基本特性解析

时间： 2021-08-17 来源：晶光华

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本文中，国内知名晶振企业晶光华将分享厚度切变石英晶体元件基本知识。

1. 石英晶体振动模式和常用切型

不同的石英切割角度及不同电极型状的电场效应, 石英晶体表现出各种不同的振动模式，主要的振动模式有弯曲模式(flexture mode)、伸缩模式(extension mode)、面切变模式(face shear mode) 和厚度切变模式 (thickness shear mode)，下表是对这几种振动模式的简单描述。在实际状况中, 石英晶体并不是一定只有单一种振动模式, 而可能有多种模式同时存在在一个石英晶片的振荡中, 经由适当的设计, 可以压制其它不希望产生的振动模式(unwanted mode)，来达到主要振动模式的最佳化。

2. 石英晶体的切型

依据不同的应用领域及工作温度需求，对应了许多不同的石英晶棒切割角度种类，例如 AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等不同的切割，不同的切割方向的晶片具有不同的弹性常数张量(elastic constant tensor)、不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor)，这些张量在石英晶体的设计及应用上表现出不同的振荡及温度特性，(下图为不同切型的石英晶片方位图)表现了在 Z-plat 石英结构上，几种不同方向的石英晶片切割方式。

3. 石英晶体的频率温度特性

3.1 AT 切石英晶片的频率温度特性：

3.1.1 AT 切割角度变动在厚度振动模态的频率对温度特性的展开图. 图中以常用的室温摄式 25℃作为相对零点(参考温度 T0)。

3.1.2 AT 切割的最大优点是频率对温度变化为一元三次方曲线. 这个特性从下图中可以看到, 在相当宽广的温度范围下, AT 切割的温度曲线的第一阶常数(a0)及第二阶常数(b0)为零, 第三阶的常数 (c0)便决定了频率对温度的变化值

T_F=a₀+2b₀(T-T₀)+3c₀(T-T₀)²

3.1.3 AT角度切割的石英芯片适用在数 MHz 到数百 MHz 的频率范围,是石英芯片应用范围最广泛及使用数量最多的一种切割应用方式。

3.2 音叉（TUNING FORK）石英晶体的频率温度特性

3.2.1 Tuning fork(音叉式)晶体单元主要频率是 32.768KHz，用于手表和时钟等应用，覆盖频率范围从 20KHz 到 300KHz;

3.2.2 音叉晶振的温度特性曲线，是负二次方程曲线f=f0[1-0.04ppm/℃²·(T-T0)²]。呈现出以理想室温+25℃为中心的向下抛物线，温度频差变化为阶段性的变化，这意味着音叉晶体振荡器在室温下共振接近其目标频率,但当温度走低或走高都会使频率稳定度变差。所以需要考虑使用环境温度和精度。

音叉圆柱晶体的频率温度特性近似为：-0.035ppmx(T-25)²

音叉贴片晶体的频率温度特性近似为：-0.04ppmx(T-25)²

3.2.3 在实际应用中，这意味着使用常规 32.768 KHZ音叉晶体构建的时钟在室温下保持良好的时间精度，但在高于或低于室温 10℃时每年会减少 2 分钟，在20℃时每年会减少8分钟。

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晶光华（JGHC）晶振选型指南（中文）

目录- 石英晶体谐振器时钟晶振热敏晶振普通振荡器(Oscillator) 压控振荡器（VCXO）温补振荡器（TCXO）恒温振荡器（OCXO） 32.768KHZ振荡器

型号- MC146,VCXO3225,SMD5032,OCXO1612,SMD2520,SMD3215,M49SSMD,OSC1612,TCXO1612,OCXO2520,2520,Y206,OSC2520,TCXO2520,HC-49SBSMD,VCXO7050,VCXO5032,TCXO5032,GLASS3225,HC-49SSMD,SMD2012,Y308,OSC7050,SMD3225,SMD2016,OSC5032,SMD1612,OSC2016,GLASS5032,TCXO2016,GLASS8045,OSC3225,TCXO3225,OCXO2016,HC-49S

选型指南 - 晶光华 - 2019年 PDF 中文下载

晶光华（JGHC）晶振/晶体选型表

无源晶振，频率范围涵盖800KHZ到300MHZ，频率温度特性，-40~125度±50ppm，最小封装尺寸SMD1612，精度最高达到±5ppm，年老化率仅3ppm；有源晶振，SPXO频率精度能达到±25ppm,TCXO频率精度可±0.5ppm，频率更高，如OSC7050 184.32mhz，电源电压至1.8V,最高5.0V，启动时间5mSec，相噪低至1ps，年老化率低至1ppm；音叉时钟晶振，RTC模块，为系统提供时钟的，32.768KHZ是最常用的频率，主要应用于有计时功能的电子产品。有源系列包括HC-49S、HC-49SSMD、M49SSMD、SMD6035、SMD5032、SMD3225、SMD2520、SMD2016、SMD1612等；无源系列包括普通晶体振荡器（SPXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、恒温晶体振荡器（OCXO)、电压控制晶体振荡器（VCXO)

产品型号	品类	频率（MHz）	负载电容(pF)	温度稳定度(ppm)	封装
Y20624000202050JY	插件无源晶振	24MHz	20pF	20ppm	2*6

选型表 - 晶光华立即选型

【选型】晶光华（JGHC）贴片有源晶振 & 贴片无源晶振(物料型号对照表)选型指南

目录- 有源晶振/无源晶振

型号- S3227000121040,49SAC18080162060,S2126000121080,Y20600327122075,49SAC07600202060,S2232000091050JY,O32125000153325,S5325000201040,M49SAT08000201080,SMD2520,S32080001220500,G53080000850100A,GLASS5032,49SAT04000201080JY,O5326000153325,S2100327121090,49ASC28800202040,S3230000201040,49SAC25000182040,S5327000202040,MC30600327122050,S3224000151060,S3228375201060,O7540000153325,S3227000201040,49ASC60350202040,49SAT25000201040JY,S5312000201080,S53080001510100A,S3240000121060,G53080000830100A,OSC2016,49SAC24000201040,49SBT06745201060,O5316000153325,OSC3225,S3224000151050,49SBT12000181060,M49SAT24000121060,O7512000153325,HC-49S,49SAC16000201060,S3224000121060A,O2200327153325,G5308000201080,49SAC035792020100,49ASC27138152040,O7520000153325,S3224000121060,S2224000121060JY,S5313253201060,O3200327151825,49SAT26000201040JY,G3216000183080,SMD3100327122090,S2224000091060JY,G3212288121080,O5300327153325,O5308000153325,49SAC04096202080,HC-49SMD,S2132000101080,O7527000153325,49SAC04194202080,S5312000202080A,O7512288153325,49SAC16934182060,S3212000121080,O22088001533100,49ASC27000182040,49SBT33868201040,O7550000153325,S32300000651040,S2132000121080,S5319687141040A,S3224000061050,49SAC22118202040,49SBT04000201080,S5313560152040A,S3212000201080,S3232000081040,49ASC26000202040,P7426000091040,S712000201040,49SAC08000202060,O7525000153325,O2100327153325,49SAC24000122040,O3225000153325,S3225000121060,49SAT08000201060,S3216000121060,S2240000101050JY,S32120002010100A,O3237125153325,J3224000091080,49SAC26000152040,49SAC16000222060,49SAT13560161050JY,O3216000153325,HC-49SSMD,O7524000153325,TCO22260002805,Y20600327122040,O5340000153325,S2140000091070JY,49SAC25000122040,S2227120101080,G3232000121060A,O3212288153325,49SAC24545082040JY,O3226000153325,S2132000091080,S5340659081540,49SAC10000201060,S2226000071060,S3224000201060,S3213000201060JY,49SAC27000182040,49SAC20000202040,S2219200121080,PFP7040,49ASC50000201040,O5324000153325,S5318080141040A,49SAC036862020100,O3240000153330JY,S3230000201060,49SBT25000181040,TCXO2520,G3226000161060,O3248000153325,S3237400201040JY,S3226000091060,S3219200071060,S3240000121040,S2240000101050,49ASC40233202030,G3224000102060,TSX22260000781040,S5348000202040,OSC7050,SMD3225,SMD2016,O75100000153325,O2224000153325,S3214318201060,S3227000181040,MC14600327122090,49SAC06745202060,S3250000121060,O3240000153325,S3240000101040,O75125000153325,49SAC36480122040,S724000101030,J3225000121080,S2216000091080,O7502048153325,O5324576153325,S22160000910100JY,O5320000153325,M49SAT26000091060,S3232000091040,49SAC10000132060,S3213253202070,S2132000091070JY,49SAC25000201040,S2226000120860,O5312288153325,S3230000101040,SMD3100327092090,O32540001533525,O2227000153325,Y30800327122075,49SAT14318201060,O3204000153325,SMD6035,49SAC08000182060,49SAC20500202040,O3227000153325,O3200327153320JY,49SAC21250182040,S3212000181080,O3233330153325,49SAC260000852040,O5310000153325,S2226000091060JY,O3232000153325,S3226000081040,49ASC27120102040,S720000202040,O3250000153325,O2250000153325,S2126000091080,G5308000123080,S5324000201040,G3232000121050,S2100327072090,O5327000153325,O5312000153325,S5308000201080,S2225000181060,O2220000153325,O3218432153325,O7508000153325,O22072001533100,S3213560201060,S2124000121080JY,O3220000153325,S3216000091060,S3237400121040,49SAC17950162060,OSC2520,49SBT04904201060,49SAC06000202060,49SBT26000151040,49SAC12000202060,S3224000121060JY,O7533000153325,O75125000LD3320,O7511059153325,S3220000181060,O2224576153325,O5325000153325,49SAC08000163060,49ASC32768202030,S3224576202040,S2250000091050,S3225000151040,49SAC08192202060,M49SAT16000091060,O3206000153325,O2212000153325,S32080002010500,O3224576153325,TSX2226000091040,O3212000153325,49SBT24000181040,S2226000081060,S3219200101060,S3226000121060,O5350000153325,49SAT04000201080,SMD5032,S3224576121060,49SAC13560101060,G3225000201060,S5308000222080,S5308704223080,S5313526142040A,S3212000101080,O2225000153325,O2237125153325,S5313526141060,49SAC11059202060,HC-49SBSMD,S3216000091060JY,TSX2226000071040,Y20624000202050JY,M49SAT12000121060,4SSAC27000202040,49SAC04897202080,S3240000091040JY,49SAC13560201060,S3225000201060,TCO22384001805,S6316000202040,49SAC04000202080,49SAC13598102060,M49SAT27000201060,49SAC16934202060,49SAC08000FS2060,S3232000121040,S2132000081070JY,G3236864062050,J3220000181080,O7524576153325,S2125000101080,S21160000910120JY,S3226000071060,S3218080141080A,S3240000151040,M49SSMD,49SAC27000202030JY,G3226000071060,S3240000101060JY,S2216000121080,49SAC16000182060,O3227000153320JY,49ASC27125202040,S3226000091040JY,G3225000101560A,49SAC14745202060,O7548000153325,S5327000181040,O2248000153325,49SAC16000202060,S3227141201060A,S2240000091050JY,O3230000153325,O32100000153325,O7510000153325,O3224000153325,49SAC20480202040,OSC5032,S3216000201060,G3236864062060A,S2126000091080JY,O5348000153325,49SAC25000202040

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