越来越小的产品需要越来越小的元件

数字化趋势中的石英晶体和振荡器Q0.032768-JTX110-12.5-20-T1-90k-LF用于6G通讯设备

近年来，越来越小的电池供电应用和可穿戴设备的可用性大幅增长，尤其是在消费电子领域。产品本身以及其中的电路板和元件变得越来越小。这种趋势被称为“小型化”。对于许多产品，包括主要IC制造商的产品，这种趋势看不到尽头，这对其他元件也有影响，包括我们的石英晶体和振荡器

因此，对无源元件外壳和规格的要求也在发生变化——它们也必须变得更小。这里也有优点；一方面，需要较少的原材料，这对环境有益。另一方面，减少了包装、运输和储存的费用。

然而，这种趋势面临的一个挑战是频率本身的物理限制。为了获得较低的振荡频率，显影过程从一块厚的石英开始，而较薄的晶体可以获得较高的频率。同时，表面积与厚度的比率不能低于某个值，否则电参数变得不利。相反，这意味着尺寸非常小时，不能有效地产生低频(即厚晶体)。这一限制主要影响石英晶体，而不是石英振荡器，因为后者包含一个IC，通常可以分频。因此，振荡器在频率方面有更广泛的可能性。此外，一些振荡器也可以实现明显更高的频率，因为IC可以成倍增加晶体的自然频率。

通常，石英晶体在所谓的“皮尔斯电路”中工作。基本电路元件的图示表明，它主要由两部分组成。

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这两个回路是谐振回路和反馈回路，谐振回路产生原始振荡，反馈回路激励电路振荡，然后馈入能量以补偿电路中的损耗。
谐振回路中的石英晶体确保振荡仅在其谐振频率下发生，因为它仅在该频率下提供最佳质量。
以最小的能量可靠地启动振荡

许多小型电池供电设备基于“片上系统”(SoC)组件。在这些应用中，功耗是一个至关重要的因素。然而，如今通常通过使用低工作电压来实现低功耗。这反过来对石英电路的振荡可靠性有负面影响。为了补偿这种负面影响，开发人员必须特别注意元件的选择和电路的最佳匹配。
为了补偿较小元件和低电源电压对振荡安全系数造成的负面影响，通常选择降低晶体的标称负载电容。C值较小的电路L通常也可用于较弱的驱动器级，但仍能达到可接受的振荡可靠性水平。在实验室的匹配过程中，开发人员检查频率精度、振荡安全系数和晶体输出，以确保现场高水平的操作可靠性。Jauch Quartz GmbH向其客户提供这些分析，以便为从事这些工作的开发人员提供支持。

无线应用的最高频率精度

无线应用对石英晶体的主要要求自然是频率精度。电路通常被分配窄频带的无线电波长。为了防止来自其他频率的干扰，也为了能够在更长的范围内进行连接，将偏离标称频率的任何偏移保持在最小是很重要的。例如，在蓝牙中，最大允许频率偏差是百万分之40(ppm)。在任何情况下，在应用程序的整个生命周期中的任何时候都不能超过这个限制。为了确保这一点，开发者必须使用最坏情况计算来估计所有可能的影响，因此，特别是:
25°C时的公差
在预期温度范围内的稳定性
电路C不匹配导致的误差L
长期变化
负载电容容差引起的误差(= CL偏差)
CLIC引脚电容容差加上PCB容差
为确保25°C时的频率合规性，规格中定义了每个石英元件的负载电容。负载电容是生产过程中石英晶体最精确匹配的电容。在这里，晶体被激发振荡，频率被测量，如果需要，银电极的质量通过蒸发沉积或腐蚀(通过离子轰击)来校正。
如果活动的CL在最终电路的匹配过程中，晶体将在室温下以其标称频率可靠地振荡。
对于开发者来说，这种匹配带来的问题是，他们通常不知道当前使用的晶体给测量带来了什么误差。不知道这一点，就不可能进行精确的匹配。如果匹配是在石英供应商的实验室中进行的，则通常是测量单个晶体带来的频率偏差，然后进行补偿。或者，希望自己进行精确匹配的开发人员可以从供应商处获得测量样本，以便补偿引入的误差。

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无错误运行的正确电阻
因此，晶体必须很小，并且必须尽可能精确地运行。另一个因素是晶体的等效串联电阻(ESR)必须保持较低。ESR描述了谐振时石英晶体所代表的等效电路中的欧姆电阻。数据手册通常规定制造商承诺不超过的最大ESR。这个ESR最大直接影响电路的振荡安全系数(OSF ),因此应尽可能低。
然而，晶体越小，通常ESR越高最大。另一个规则:晶体越小，在不过载的情况下，它能接收的功率就越少。
在旧电路中使用现代石英类型:重新设计
电力问题导致了另一个不仅限于物联网应用的问题。如今，许多重新设计项目都面临着这样的问题，即由于早期产品的缺乏，较老和较大尺寸的石英组件正在停产。因此，开发者经常面临这样的问题，即必须重新设计过去发布的具有大晶体类型的电路，以便用更小的、当前可用的晶体来操作它。这里必须特别注意晶体的功率处理能力。在可能的情况下，应通过测量进行检查。一方面，这使得开发者能够确定晶体将在其谐波范围内工作，从而尽可能无损耗地符合约定的规格。另一方面，防止了石英晶体的过度老化，以及在最坏的情况下，由于过载而导致的故障。

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哪些石英产品特别适合在物联网应用中使用？
原则上，石英晶体和石英振荡器都同样适用。两者都能够实现所需的频率稳定性。

在涉及大量应用的情况下，出于商业原因，通常选择石英晶体。然而，在开发阶段涉及许多任务，以确保结果是一个稳定的、可靠运行的产品。与此形成对比的是价格更高的振荡器，其制造商保证所有参数都符合要求。这个选项提供了最大的精度，加上高操作可靠性-所有这些相对较少的开发费用。
为了能够满足对精确石英钟信号的所有苛刻要求，人们开发了特殊的石英晶体系列，如用于无线应用的杰奥JXS-华盛顿晶体(华盛顿)。这些产品的电气参数经过特别优化，由于特殊的预处理，它们的长期老化程度特别低。
最后，应该提到的是音叉石英晶体(也称为时钟晶体)也经常使用，通常以32，768 Hz振荡。许多IC提供连接额外晶振作为备用时钟发生器的选项。这使得高频时钟有可能在应用的待机阶段停止工作，从而显著降低IC的功耗。与此同时，IC继续以32，768 Hz的频率部分运行，因此能够快速返回功耗模式。由于它们相对较高的温度敏感性，时钟晶体不被认为是用于无线应用的足够精确的时钟。然而，由于其功耗低得多，仅为几A，因此被认为是经常需要的待机模式的理想选择。除此之外，这些时钟晶体当然也适合所有传统的实时时钟应用。