睡觉晶体和DLD的关系

A.概述

这份应用笔记所讨论的内容适合于通用英晶体谐振器，而文章中的数字只适用于AT和BT下厚度切变的石英晶体。

陶瓷谐振器也有类似的情况。

B.什么是“睡觉晶体”?

在晶体行业中，“睡觉”晶体是种众所周知的现象:

因睡觉现象而不起振的晶体，当受到外界的激励(机械或电子)，它会重新工作。然而，过了一段时间之后(通常是指撤掉激励之后)，晶体又会进入“睡眠”状态——不起振。

晶体再次进入“睡眠”的时间，是无法估计或预测到的，短则几分钟，长则几个月。

这一现象，可解释为什么当晶体的用户检测到晶体不起振时，退回晶体商检验，但报告又显小晶体是振荡的原因。最大可能是这些“睡眠”晶体在运输过程中受到了“冲击”，“振动”或者是在作不良品分析时使用了“强激励”因而将“睡眠”晶体弄致“苏醒”。(注意:造成晶体在退货时是坏的，而晶体商说是好的原因很多。其中“睡觉”晶体只是其中之一。)

十来年前，一般的晶体振荡器线路大都工作在低频和较高的工作电压下，因而，加给晶体的激励也比较高(比如是1OOOuW，或更高)。振荡线路上的高激励可使这类睡觉晶体“苏醒”，所以，早年的“睡眠”晶体不是什么大问题。不过，尽管高激励可使这类晶体“苏醒”但仍需要一段的时间起动(从几个毫秒到几秒)，因而，有些工程师称这类晶体为“缓慢起振”的晶体。

现今的振荡线路对于晶体的要求更高:

低工作电压的振荡线路使得晶体工作在较低激励电平，较高的工作频率通常有更多的相移也使得晶体工作在较低激励电平(因负载电容较小)，现今的产品需要快速起振，如:VGA显小卡，USB和PCMICA插卡等带热插功能的产品，使用电池供电的装置，如:超薄型的掌上电脑，移动通讯，无绳电话，节能型的BP机等，都通常内置省电功能，故需要晶体快速起振。

C为什么晶体会睡觉呢

产生“睡觉”晶体的根本原因是:晶体生产过程中受到了污染。

对晶体而言，污染不仅仅是一些灰尘，诸如:微量的水汽，油污和废气也都是污染。因此，在生产过程中如想要控制好污染其所要花费的费用是相当高的，而有些污染是很难彻底根治的。

今天，晶体行业对于“睡觉”晶体的讨论仍然是一个热门研究课题。很多晶体生产)一家也正在积极研究。但并不是所有的晶体生产厂家都知道怎样避免生产出“睡觉”晶体，这也可能是这些厂家不愿意跟晶体用户讨论这一话题的原因。

D有“医治”“睡觉”晶体的方法吗?

不幸地，如果晶体有睡觉的特性，没有任何方法可“医治”。即使“睡觉”晶体被激活，仍然会再次进入“睡眠”状态。这些不良晶体的“睡眠”状态是晶体的自然而有稳定的状态，在一定的时间内，当外界作用力撤消之后，它又会返回到这种稳定状态。这也就是无法“医治”的主要原因。

有些晶体生产厂家为了达到“高产出率”，在生产过程中对晶体使用“强激励”(激励电平非常高)用以最后测试前弄醒所有睡觉的晶体。这种方法却允许将一些“睡觉”的晶体出货给了晶体用户，而这些晶体迟早还会再次进入“睡眠”状态。

同样原因，使用晶体的用户也应准确地给出晶体在振荡线路的激励电平，以避免晶体生产厂家在进行测试和分选时，因用户指定的不恰当规格而使用过高的激励电平，即:激活那些“睡觉”晶体。比如:如果振荡线路是工作在50uw，就不应该规定晶体的生产激励是1 mw(照搬一些旧的技术指标)，否则，你将指导你的晶体生产厂家激活所有睡觉的晶体，而最终通过出厂测试。

请留意，对于现在的晶体及振荡线路，1mW是一个非常高的激励.如果你无法检查出你线路上的实际激励，可将该带零件的线路板送到晶体生产厂家来为你测试。

E.怎样检测“睡觉”晶体呢？  

检测“睡觉”晶体的主要困难是:一旦“睡觉”晶体被“唤醒”，它便同好的晶体一样，然而，它再次“睡觉”的时间又无法估计(可能是几秒、几分、几天、或几个星期)。

我们可以用一个间接的方法测试“睡觉”晶体，即:测试晶体的DLD(激励电平依赖性)。

晶体激励电平依赖性产生的原因与“睡觉”晶体的情况相似，都是污染所致，但情况较轻微。

F．激励电平依赖性

晶体的激励电平依赖性是指:晶体在不同的激励下其频率和电阻的变化量，测试时的高低电平通常相差几十倍左右。

理想的晶体DLD如下:

在较宽的激励电平覆盖范围内(数十倍的范围)晶体的电阻和频率变化非常小，除非激励电平己超出晶体结构可承受的最高值。请小心注意:当“睡觉”晶体在苏醒时，表现出来的特性可能和理想的晶体一样。




就算是激励电平低于结构所容许的激励上限，由于生产过程中各种不同污染的影响，使得非理想晶体的电阻和频率变化较大(电阻变化几倍，频率变化几十个PPm)}




请注意:

为了测试DLD特性，设置的最大激励必须足以激活“睡觉”晶体，因此，当第一次测试之后，同一只晶体的DLD将有些变化(通常显的比较好).并且，如果当最大测试激励足以使晶体总是“苏醒”的话，那么，该晶体的表现如同理想晶体一样(可参看以上的理想晶体的DLD曲线).所以，DLD数据的重复性较低，为了准确的测试晶体的DLD，测试将是不可重复的，只能依赖第一次耐测量数据.

如果晶体的DLD特性不随时间，也不随外界作用而变化的话，那么，这只晶体就不是“睡觉”晶体(它可能不是一只好的DLD晶体，但它不是一只“睡觉”晶体)。而因应实际的晶体振荡线路激励的不同，这只晶体，可以是一只合用的(好)晶体，也可以是一只不合用的晶体:

》如果在实际振荡线路的激励下，这样电阻的晶体可以稳定地工作(包括要考虑起动速度)，那么这只晶体是好的。否则，

》如果在实际振荡线路的激励下
，这样电阻的晶体不可以稳定地工作(包括要考虑起动速度)，那么是一只不合用的晶体.

下图为用KH1200π网络测试仪分析一民用晶体的激励和电阻变化的情况



G．晶体DLD的时间特性

晶体的DLD特性可能随时间变化而变化，同时也随外界的作)Il的变化而变化。

以下图形将表示:



当晶体不受外界的作川时(或者说:不工作时)，晶体将逐渐回复到自身的稳定状态:即“睡眠”状态。
当晶体受到“较大”的外界激励作用时，晶体将被“唤醒”而进入苏醒状态。
当晶体受到不算“较大”的外界作用时，晶体将处于“半睡眠”状态。

以上纵座标无刻度，可解释为:

在微激励下的晶体电阻，或DLD-dRs(激励电平于某范围变化时串联电阻之变化)，或DLD-dFs(激励电平于某范围变化时串联频率之变化).

这些参数的绝对值是不同的，但每一参数随时间的变化情况，其曲线形状大概相似。

由于时间和外界作)Il的关系比较复杂，因此，晶体的DLD测试是不可以重复测试的。有时还会影响其它晶体参数的测试重复性。

注意:以上所提到的“稳定”和“不稳定”状态，都是晶体的某种物理状态，当晶体处于“不稳定”状态时，它将趋向于它自身的“稳定”状态。这种情形和用晶体测量仪器打印测试报告中的“Unstable"无关

H.晶体DLD的γ比值

当我们随机抽测晶体时，我们是否可测试到晶体目前的状态是怎样的?是“睡眠”，是“苏醒”，还是“半睡，半醒”呢?又或者，有没有某些测试方法可更有效，可靠地检测睡觉晶体? 要回答这些问题实在不容易

以求解决问题，一些晶体工程师尝试设计了一个方法:测试晶体于不同的激励电平的电阻之比例，而非电阻变化的绝对值。


这种测量的方法是比较晶体的电阻比例和晶体的频率比例，关系是:

γ12 = (第一次测试的等值串联电阻/第二次测试的等值串联电阻)令设定限度
γ13 = (第一次测试的等值串联电阻/第三次测试的等值串联电阻)令设定限度
(第一次测试的Fr一第二次测试的Fr ) 设定限度
(第一次测试的Fr一第三次测试的Fr ) 设定限度

亦有一些工程师修改了上述的方法，采用了在最大、最小激励电平之间，多个测试点的晶体电阻和频率的变化比。

详情请参看国际电工委员会IEC 444-6号文件。

这类方法至今仍在晶体行业中试用，研究及讨论，但至今仍米有定论到底那一种规格/方法是最终以及最好。

更复杂的是军)Il及民)Il晶体对品质及成本的要求都不一样，较难厘定统一标准。

KH1200兀网络测试系统可以提供一个比较方便的)Il户界面，给晶体工程师提供研究这些方法的手段。

I．“睡觉”晶体的定义——“睡觉”和DLD的关系

民用晶体的频率和电阻随激励的变化而变化是避免不了的。有些比较小，比如小于1欧姆;有些变化则较大，比如:几百、几千欧姆，甚至乎在专用的晶体测量仪器上都不振荡或是不稳定“Unstable"。



究竟不好DLD的晶体会否“睡觉”呢?又或DLD有多差劲才会“睡觉”呢?还是，其它……？

粗略而言，“睡觉”晶体可定义为晶体有不重复的DLD特性而又在应用的振荡线路内不能工作于:

振荡线路正常工作时的激励电平，或低于正常工作的激励电平五至十倍的电平。

这个定义，在原理上是对的，但较依赖每一应用线路，故较难令所有晶体用户明自。

遗憾的是在晶体行业，仍未有对睡觉晶体一个清楚的定义。作为晶体测量仪器的制造商，科研公司将尽力提供好的仪器助您分析问题。KH-1200兀网络测试系统钊一对DLD问题采111了最好测量算法，以助这类问题的解决。

J．晶体的测量

基于上述对晶体DLD的不可重复特性的分析讨论，在测试晶体时，应注意以下的问题:

a. DLD的测试:

为了消除测量仪器误差带来的影响:
不要测试DLD-dFL＞或DLD-dRL…等等。
晶体低于100 MHz时，测试DLD-d
Fr，和DLD-dRr，和
晶体高于100 MHz或以上时，测试DLD-dFs，和DLD-dRs

b. 复测以检验测试结果(包括所有其它参数):

当重新再次测量晶体的结果来复检，请留意晶体在第一次测试时，可能己被激活。最好将晶体放几天再重新测试。

C 不良品分析:

当进行不良品分析时，应注意“老化率”差的晶体其参数也会随时间的变化而变化。但是，“老化率”不好的晶体，是不会有被外界作用而激活的现象。有些晶体可能不好的原因可能有两种情况:一是老化性能差;一是晶体DLD性能差。

d. " Fs稳定”，"FL不稳定”的晶体:

有些晶体当测试FL时，"Unstable"，但是，当测试Fs或Fr时，有能够稳定振荡。这类情况大都是晶体的DLD问题。当遇到这类问题，可用KH1200的DLD图形扫描功能，便可得到这类晶体的DLD特性(注意以上的b点)。