Epson 石英元件振盪參數- DL和DLD特性說明

此為石英晶體(Crystal Resonator)中驅動功率的有效值(RMS value)，通常以微瓦 [μW] 或毫瓦 [mW]為單位來表示，驅動功率可透過以下等式求得                    

    D.L. = I_rms² x R_L

其中D.L.是為了讓石英晶體進行振盪的功率(Watt)，I_rms為流經Crystal的電流有效值，而R_L是石英晶體內部串聯電阻(R₁)在負載時的等效電阻(R_L)。[ R_L = R₁(1+C₀/C_L)² ]

而在石英晶體規格書中，會定義驅動功率的最大值，主要是為了確保石英晶體在此驅動功率條件內仍可在符合電氣參數的定義條件下維持正常功能。然而過大的驅動功率將會產生不可預期的變化(例如，頻率特性變化量增大，甚至會造成石英晶片斷裂，而造成永久的特性損壞)，同時也會加速晶體特性老化。

石英晶體在單體測量時，也需要定義驅動功率的量測條件。而為了石英晶體特性量測的準確性以及穩定性的考量，通常會以驅動功率規格定義的典型值(Typ.)來進行量測設定。

而石英晶體的驅動功率規格會依照不同的產品類別而有不同的規格定義。一般而言，32.768kHz(Tuning fork)驅動功率多定義在0.5uW max.，而MHz(AT-Cut) 驅動功率通常約在 100~200uW為最大驅動位準的級別定義。

驅動功率亦表示石英晶體在振盪電路運作下的驅動能量，因此如何讓石英晶體能保持在驅動功率可保證最大規格值的振盪電路設計，這是時脈信號穩定與否，非常重要的指標。

DLD(激勵功率依賴性)主要是在觀測石英晶體元件在不同驅動功率下，其頻率或電阻特性的變化量，此特性的變化量常用於石英晶體在元件設計階段，相關產品設計驗證用途，或零件於製造階段品質管控非常重要的檢查指標。

DLD有許多類型，列舉常見項目如下；

• 阻抗激勵功率依賴性 : 電阻(RR_MAX - RR_MIN) 驅動位準(功率)範圍。單位:歐姆(Ω)
• 頻率激勵功率依賴性 : 頻率(FL_MAX - FL _MIN) vs.驅動位準(功率)範圍。單位:頻率(ppm)
• 激勵功率依賴性範圍内，最大電阻。單位:歐姆(Ω)

下為石英晶體元件在不同驅動功率(Drive Level)條件下，量測其等效阻抗，或頻率變化量關係圖，當量測特性越是接近平直線性，代表其特性越佳。

在此圖例中，等效電阻與頻率會隨著驅動功率級別變化而改變。我們可以發現，當石英晶體的驅動功率增加時，其阻抗線性變化量會變差，同時驅動功率大小的變化，亦會引起其諧振頻率穩定性的變化。

從上圖中我們也可觀察到，當石英晶體(內建石英晶片的尺寸)越小，其阻抗特性的線性表現在驅動功率由小至大間差異，越容易受到影響，而與驅動功率相對的頻率變動點(頻率的非線性特性)也會提前出現。

以AT-Cut石英晶體為例，石英晶片是由本身的厚度來決定頻率，這同時也表示，當石英晶片的厚度出現微變化時，頻率亦會隨著變動。例如，空氣中的濕氣或塵埃等極為微小的質量依附污染(Contamination)於石英晶片表面時，它將會使得在石英晶體在激勵功率依賴性的頻率和等效電阻的線性度惡化，所以透過DLD特性觀測時，這可有效將生產製程中因外來污染造成的品質異常檢出。

總結來說，為避免石英晶體受到過度驅動功率而影響其穩定性，我們在石英振盪電路設計，或是廠內生產品質控管，我們都必須留意驅動功率規格特性，保持所選用零件在其最大驅動功率特性保證範圍內。

以上為本篇石英晶體元件DL和DLD相關參數和特性說明，如有任何設計問題或測試需求時，可與我們聯絡。