睡覺(jué)晶體介紹及其與DLD的關(guān)系

A.概述

這份應(yīng)用筆記所討論的內(nèi)容適合于通用英晶體諧振器，而文章中的數(shù)字只適用于AT和BT下厚度切變的石英晶體。

陶瓷諧振器也有類似的情況。

B.什么是“睡覺(jué)晶體”?

在晶體行業(yè)中，“睡覺(jué)”晶體是種眾所周知的現(xiàn)象:

因睡覺(jué)現(xiàn)象而不起振的晶體，當(dāng)受到外界的激勵(lì)(機(jī)械或電子)，它會(huì)重新工作。然而，過(guò)了一段時(shí)間之后(通常是指撤掉激勵(lì)之后)，晶體又會(huì)進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)——不起振。

晶體再次進(jìn)入“睡眠”的時(shí)間，是無(wú)法估計(jì)或預(yù)測(cè)到的，短則幾分鐘，長(zhǎng)則幾個(gè)月。

這一現(xiàn)象，可解釋為什么當(dāng)晶體的用戶檢測(cè)到晶體不起振時(shí)，退回晶體商檢驗(yàn)，但報(bào)告又顯小晶體是振蕩的原因。最大可能是這些“睡眠”晶體在運(yùn)輸過(guò)程中受到了“沖擊”，“振動(dòng)”或者是在作不良品分析時(shí)使用了“強(qiáng)激勵(lì)”因而將“睡眠”晶體弄致“蘇醒”。(注意:造成晶體在退貨時(shí)是壞的，而晶體商說(shuō)是好的原因很多。其中“睡覺(jué)”晶體只是其中之一。)

十來(lái)年前，一般的晶體振蕩器線路大都工作在低頻和較高的工作電壓下，因而，加給晶體的激勵(lì)也比較高(比如是1OOOuW，或更高)。振蕩線路上的高激勵(lì)可使這類睡覺(jué)晶體“蘇醒”，所以，早年的“睡眠”晶體不是什么大問(wèn)題。不過(guò)，盡管高激勵(lì)可使這類晶體“蘇醒”但仍需要一段的時(shí)間起動(dòng)(從幾個(gè)毫秒到幾秒)，因而，有些工程師稱這類晶體為“緩慢起振”的晶體。

現(xiàn)今的振蕩線路對(duì)于晶體的要求更高:

低工作電壓的振蕩線路使得晶體工作在較低激勵(lì)電平，較高的工作頻率通常有更多的相移也使得晶體工作在較低激勵(lì)電平(因負(fù)載電容較小)，現(xiàn)今的產(chǎn)品需要快速起振，如:VGA顯小卡，USB和PCMICA插卡等帶熱插功能的產(chǎn)品，使用電池供電的裝置，如:超薄型的掌上電腦，移動(dòng)通訊，無(wú)繩電話，節(jié)能型的BP機(jī)等，都通常內(nèi)置省電功能，故需要晶體快速起振。

C為什么晶體會(huì)睡覺(jué)呢

產(chǎn)生“睡覺(jué)”晶體的根本原因是:晶體生產(chǎn)過(guò)程中受到了污染。

對(duì)晶體而言，污染不僅僅是一些灰塵，諸如:微量的水汽，油污和廢氣也都是污染。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中如想要控制好污染其所要花費(fèi)的費(fèi)用是相當(dāng)高的，而有些污染是很難徹底根治的。

今天，晶體行業(yè)對(duì)于“睡覺(jué)”晶體的討論仍然是一個(gè)熱門(mén)研究課題。很多晶體生產(chǎn)廠家也正在積極研究。但并不是所有的晶體生產(chǎn)廠家都知道怎樣避免生產(chǎn)出“睡覺(jué)”晶體，這也可能是這些廠家不愿意跟晶體用戶討論這一話題的原因。

D有“醫(yī)治”“睡覺(jué)”晶體的方法嗎?

不幸地，如果晶體有睡覺(jué)的特性，沒(méi)有任何方法可“醫(yī)治”。即使“睡覺(jué)”晶體被激活，仍然會(huì)再次進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)。這些不良晶體的“睡眠”狀態(tài)是晶體的自然而有穩(wěn)定的狀態(tài)，在一定的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)外界作用力撤消之后，它又會(huì)返回到這種穩(wěn)定狀態(tài)。這也就是無(wú)法“醫(yī)治”的主要原因。

有些晶體生產(chǎn)廠家為了達(dá)到“高產(chǎn)出率”，在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)晶體使用“強(qiáng)激勵(lì)”(激勵(lì)電平非常高)用以最后測(cè)試前弄醒所有睡覺(jué)的晶體。這種方法卻允許將一些“睡覺(jué)”的晶體出貨給了晶體用戶，而這些晶體遲早還會(huì)再次進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)。

同樣原因，使用晶體的用戶也應(yīng)準(zhǔn)確地給出晶體在振蕩線路的激勵(lì)電平，以避免晶體生產(chǎn)廠家在進(jìn)行測(cè)試和分選時(shí)，因用戶指定的不恰當(dāng)規(guī)格而使用過(guò)高的激勵(lì)電平，即:激活那些“睡覺(jué)”晶體。比如:如果振蕩線路是工作在50uw，就不應(yīng)該規(guī)定晶體的生產(chǎn)激勵(lì)是1 mw(照搬一些舊的技術(shù)指標(biāo))，否則，你將指導(dǎo)你的晶體生產(chǎn)廠家激活所有睡覺(jué)的晶體，而最終通過(guò)出廠測(cè)試。

請(qǐng)留意，對(duì)于現(xiàn)在的晶體及振蕩線路，1mW是一個(gè)非常高的激勵(lì).如果你無(wú)法檢查出你線路上的實(shí)際激勵(lì)，可將該帶零件的線路板送到晶體生產(chǎn)廠家來(lái)為你測(cè)試。

E.怎樣檢測(cè)“睡覺(jué)”晶體呢？  

檢測(cè)“睡覺(jué)”晶體的主要困難是:一旦“睡覺(jué)”晶體被“喚醒”，它便同好的晶體一樣，然而，它再次“睡覺(jué)”的時(shí)間又無(wú)法估計(jì)(可能是幾秒、幾分、幾天、或幾個(gè)星期)。

我們可以用一個(gè)間接的方法測(cè)試“睡覺(jué)”晶體，即:測(cè)試晶體的DLD(激勵(lì)電平依賴性)。

晶體激勵(lì)電平依賴性產(chǎn)生的原因與“睡覺(jué)”晶體的情況相似，都是污染所致，但情況較輕微。

F．激勵(lì)電平依賴性

晶體的激勵(lì)電平依賴性是指:晶體在不同的激勵(lì)下其頻率和電阻的變化量，測(cè)試時(shí)的高低電平通常相差幾十倍左右。

理想的晶體DLD如下:

在較寬的激勵(lì)電平覆蓋范圍內(nèi)(數(shù)十倍的范圍)晶體的電阻和頻率變化非常小，除非激勵(lì)電平己超出晶體結(jié)構(gòu)可承受的最高值。請(qǐng)小心注意:當(dāng)“睡覺(jué)”晶體在蘇醒時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的特性可能和理想的晶體一樣。




就算是激勵(lì)電平低于結(jié)構(gòu)所容許的激勵(lì)上限，由于生產(chǎn)過(guò)程中各種不同污染的影響，使得非理想晶體的電阻和頻率變化較大(電阻變化幾倍，頻率變化幾十個(gè)PPm)}




請(qǐng)注意:

為了測(cè)試DLD特性，設(shè)置的最大激勵(lì)必須足以激活“睡覺(jué)”晶體，因此，當(dāng)?shù)谝淮螠y(cè)試之后，同一只晶體的DLD將有些變化(通常顯的比較好).并且，如果當(dāng)最大測(cè)試激勵(lì)足以使晶體總是“蘇醒”的話，那么，該晶體的表現(xiàn)如同理想晶體一樣(可參看以上的理想晶體的DLD曲線).所以，DLD數(shù)據(jù)的重復(fù)性較低，為了準(zhǔn)確的測(cè)試晶體的DLD，測(cè)試將是不可重復(fù)的，只能依賴第一次耐測(cè)量數(shù)據(jù).

如果晶體的DLD特性不隨時(shí)間，也不隨外界作用而變化的話，那么，這只晶體就不是“睡覺(jué)”晶體(它可能不是一只好的DLD晶體，但它不是一只“睡覺(jué)”晶體)。而因應(yīng)實(shí)際的晶體振蕩線路激勵(lì)的不同，這只晶體，可以是一只合用的(好)晶體，也可以是一只不合用的晶體:

》如果在實(shí)際振蕩線路的激勵(lì)下，這樣電阻的晶體可以穩(wěn)定地工作(包括要考慮起動(dòng)速度)，那么這只晶體是好的。否則，

》如果在實(shí)際振蕩線路的激勵(lì)下
，這樣電阻的晶體不可以穩(wěn)定地工作(包括要考慮起動(dòng)速度)，那么是一只不合用的晶體.

下圖為用KH1200π網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀分析一民用晶體的激勵(lì)和電阻變化的情況



G．晶體DLD的時(shí)間特性

晶體的DLD特性可能隨時(shí)間變化而變化，同時(shí)也隨外界的作)Il的變化而變化。

以下圖形將表示:



當(dāng)晶體不受外界的作川時(shí)(或者說(shuō):不工作時(shí))，晶體將逐漸回復(fù)到自身的穩(wěn)定狀態(tài):即“睡眠”狀態(tài)。
當(dāng)晶體受到“較大”的外界激勵(lì)作用時(shí)，晶體將被“喚醒”而進(jìn)入蘇醒狀態(tài)。
當(dāng)晶體受到不算“較大”的外界作用時(shí)，晶體將處于“半睡眠”狀態(tài)。

以上縱座標(biāo)無(wú)刻度，可解釋為:

在微激勵(lì)下的晶體電阻，或DLD-dRs(激勵(lì)電平于某范圍變化時(shí)串聯(lián)電阻之變化)，或DLD-dFs(激勵(lì)電平于某范圍變化時(shí)串聯(lián)頻率之變化).

這些參數(shù)的絕對(duì)值是不同的，但每一參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，其曲線形狀大概相似。

由于時(shí)間和外界作)Il的關(guān)系比較復(fù)雜，因此，晶體的DLD測(cè)試是不可以重復(fù)測(cè)試的。有時(shí)還會(huì)影響其它晶體參數(shù)的測(cè)試重復(fù)性。

注意:以上所提到的“穩(wěn)定”和“不穩(wěn)定”狀態(tài)，都是晶體的某種物理狀態(tài)，當(dāng)晶體處于“不穩(wěn)定”狀態(tài)時(shí)，它將趨向于它自身的“穩(wěn)定”狀態(tài)。這種情形和用晶體測(cè)量?jī)x器打印測(cè)試報(bào)告中的“Unstable"無(wú)關(guān)
H.晶體DLD的γ比值

當(dāng)我們隨機(jī)抽測(cè)晶體時(shí)，我們是否可測(cè)試到晶體目前的狀態(tài)是怎樣的?是“睡眠”，是“蘇醒”，還是“半睡，半醒”呢?又或者，有沒(méi)有某些測(cè)試方法可更有效，可靠地檢測(cè)睡覺(jué)晶體? 要回答這些問(wèn)題實(shí)在不容易

以求解決問(wèn)題，一些晶體工程師嘗試設(shè)計(jì)了一個(gè)方法:測(cè)試晶體于不同的激勵(lì)電平的電阻之比例，而非電阻變化的絕對(duì)值。


這種測(cè)量的方法是比較晶體的電阻比例和晶體的頻率比例，關(guān)系是:

γ12 = (第一次測(cè)試的等值串聯(lián)電阻/第二次測(cè)試的等值串聯(lián)電阻)令設(shè)定限度
γ13 = (第一次測(cè)試的等值串聯(lián)電阻/第三次測(cè)試的等值串聯(lián)電阻)令設(shè)定限度
(第一次測(cè)試的Fr一第二次測(cè)試的Fr ) 設(shè)定限度
(第一次測(cè)試的Fr一第三次測(cè)試的Fr ) 設(shè)定限度

亦有一些工程師修改了上述的方法，采用了在最大、最小激勵(lì)電平之間，多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的晶體電阻和頻率的變化比。

詳情請(qǐng)參看國(guó)際電工委員會(huì)IEC 444-6號(hào)文件。

這類方法至今仍在晶體行業(yè)中試用，研究及討論，但至今仍米有定論到底那一種規(guī)格/方法是最終以及最好。

更復(fù)雜的是軍)Il及民)Il晶體對(duì)品質(zhì)及成本的要求都不一樣，較難厘定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

KH1200兀網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)可以提供一個(gè)比較方便的)Il戶界面，給晶體工程師提供研究這些方法的手段。

I．“睡覺(jué)”晶體的定義——“睡覺(jué)”和DLD的關(guān)系

民用晶體的頻率和電阻隨激勵(lì)的變化而變化是避免不了的。有些比較小，比如小于1歐姆;有些變化則較大，比如:幾百、幾千歐姆，甚至乎在專用的晶體測(cè)量?jī)x器上都不振蕩或是不穩(wěn)定“Unstable"。



究竟不好DLD的晶體會(huì)否“睡覺(jué)”呢?又或DLD有多差勁才會(huì)“睡覺(jué)”呢?還是，其它……？

粗略而言，“睡覺(jué)”晶體可定義為晶體有不重復(fù)的DLD特性而又在應(yīng)用的振蕩線路內(nèi)不能工作于:

振蕩線路正常工作時(shí)的激勵(lì)電平，或低于正常工作的激勵(lì)電平五至十倍的電平。

這個(gè)定義，在原理上是對(duì)的，但較依賴每一應(yīng)用線路，故較難令所有晶體用戶明自。

遺憾的是在晶體行業(yè)，仍未有對(duì)睡覺(jué)晶體一個(gè)清楚的定義。作為晶體測(cè)量?jī)x器的制造商，科研公司將盡力提供好的儀器助您分析問(wèn)題。KH-1200兀網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)釗一對(duì)DLD問(wèn)題采111了最好測(cè)量算法，以助這類問(wèn)題的解決。

J．晶體的測(cè)量

基于上述對(duì)晶體DLD的不可重復(fù)特性的分析討論，在測(cè)試晶體時(shí)，應(yīng)注意以下的問(wèn)題:

a. DLD的測(cè)試:

為了消除測(cè)量?jī)x器誤差帶來(lái)的影響:
不要測(cè)試DLD-dFL＞或DLD-dRL…等等。
晶體低于100 MHz時(shí)，測(cè)試DLD-d
Fr，和DLD-dRr，和
晶體高于100 MHz或以上時(shí)，測(cè)試DLD-dFs，和DLD-dRs

b. 復(fù)測(cè)以檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果(包括所有其它參數(shù)):

當(dāng)重新再次測(cè)量晶體的結(jié)果來(lái)復(fù)檢，請(qǐng)留意晶體在第一次測(cè)試時(shí)，可能己被激活。最好將晶體放幾天再重新測(cè)試。

C 不良品分析:

當(dāng)進(jìn)行不良品分析時(shí)，應(yīng)注意“老化率”差的晶體其參數(shù)也會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。但是，“老化率”不好的晶體，是不會(huì)有被外界作用而激活的現(xiàn)象。有些晶體可能不好的原因可能有兩種情況:一是老化性能差;一是晶體DLD性能差。

d. " Fs穩(wěn)定”，"FL不穩(wěn)定”的晶體:

有些晶體當(dāng)測(cè)試FL時(shí)，"Unstable"，但是，當(dāng)測(cè)試Fs或Fr時(shí)，有能夠穩(wěn)定振蕩。這類情況大都是晶體的DLD問(wèn)題。當(dāng)遇到這類問(wèn)題，可用KH1200的DLD圖形掃描功能，便可得到這類晶體的DLD特性(注意以上的b點(diǎn))。