晶振進(jìn)階，晶振頻率穩(wěn)定性影響因素解析

    晶振也即晶體振蕩器，晶振在生活中具備諸多應(yīng)用，如CPU時鐘。對于晶振，并非所有朋友都有所了解，因此在本文中，將對石英晶振工作原理加以介紹，并分析影響石英晶振頻率發(fā)穩(wěn)定性的因素。

   一、石英晶振工作原理

    石英晶振就是用石英材料做成的石英晶體諧振器，俗稱晶振。起產(chǎn)生頻率的作用，具有穩(wěn)定，抗干擾性能良好的，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。

    石英晶體振蕩器(簡稱晶振)的結(jié)構(gòu)晶振是利用石英晶體(二氧化矽的結(jié)品體)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基木構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一一定方位角切下薄片(簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的。

二、影響晶振頻率穩(wěn)定性的因素

    首要的影響要素

    對于晶振而言，有許多要素影響到系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，如：老化、噪聲、溫度、保持電路、可保持性、磁場、濕度、電源電壓與轟動。下面介紹某些重要要素：

    ①不穩(wěn)定要素-時刻

    老化與短期是時刻影響頻率不穩(wěn)定性的首要要素。老化是由于振蕩器內(nèi)部變化形成的頻率的長期系統(tǒng)性變化。雖然老化影響頻率范圍只有幾PPM，但對于DTV或機(jī)頂盒這類需精確頻率系統(tǒng)的產(chǎn)品來說特別重要。而短期的不穩(wěn)定性本質(zhì)上具有隨機(jī)性，往往能夠定義為噪聲。影響老化的要素有很多，如：質(zhì)量搬運(yùn)、晶體受到的應(yīng)力、熱膨脹、裝置受力、鍵合單元、晶振的驅(qū)動電平以及DC偏置等都會影響到晶振的使用期限。抱負(fù)狀態(tài)下，短期的晶振的輸出是完美的正弦波。但是抱負(fù)系統(tǒng)中隨機(jī)噪聲或閃耀噪聲會導(dǎo)致信號的相位偏移，然后形成頻率為了保持2nπ相位條件而發(fā)生改變。相位斜率dφ/df與QL成正比，必須保持高值，以確保較高的頻率穩(wěn)定性。為了維持高相位斜率，Cm應(yīng)當(dāng)盡可能小。因此，fs與fp之間電抗/頻率的斜率越大，則頻率穩(wěn)定性越高。

    ②不穩(wěn)定要素-溫度

    不同產(chǎn)品的訴求，對溫度的訴求不一樣。一般，晶振的溫度分為民、企、工、航天等級別，溫度范圍在-40℃~+150℃，但是隨著升至極端溫度，額定頻率的變化開始增大，有可能達(dá)到幾十ppm.計(jì)算等應(yīng)用能夠承受這一點(diǎn)，但是對于導(dǎo)航、雷達(dá)、無線電通信、衛(wèi)星通信等對準(zhǔn)確度與精度要求極高的應(yīng)用來說，則無法接受這種巨大變化。因此，此類應(yīng)用需求在系統(tǒng)中增加額外的補(bǔ)償元件

    ③不穩(wěn)定要素-可調(diào)諧性

    對于頻率范圍要求不高或較寬的頻率范圍內(nèi)可調(diào)諧性會導(dǎo)致不穩(wěn)定性。為了完成可調(diào)諧性，需求采用濾波器消除多余的頻率形式。但是這樣會影響到可協(xié)調(diào)性很難完成更高的頻率穩(wěn)定性，因?yàn)樨?fù)載電抗會受到濾波器中使用的變抗器的雜散電容與電感的影響。

    ④不穩(wěn)定要素-保持電路

    當(dāng)在晶振中增加外部負(fù)載電容器時，電容器與雜散電容的容差會導(dǎo)致實(shí)際負(fù)載電容違背所需值。負(fù)載電容的這種變化也會形成頻率改變。其可從下式求出：

    *Cm：晶振動生電容；

    *CS：晶振分流電容；

    *CL_NOM：負(fù)載電容；

    *CL：實(shí)際電容。

  三、晶振的頻率穩(wěn)定性的重要性

    所有人都知道一個電子產(chǎn)品的主要的功能，性能都是源自于它的主板PCB，在設(shè)計(jì)PCB時是很重要的，其次要看選用的電子元件，是否匹配，是否能達(dá)到預(yù)期的效果。晶振則是電子產(chǎn)品中的必需品，那你可知道選對一個石英晶振是有多重要，頻率穩(wěn)定性是有多重要。下面就簡單講述一下。

    頻率穩(wěn)定性是衡量振蕩器的輸出頻率在工作過程中由于溫度變化而可能發(fā)生的變化。如果頻率漂移超出了應(yīng)用程序的預(yù)期，定時誤差可能會出現(xiàn)。頻率穩(wěn)定性以百萬分之一或ppm表示，相對于特定溫度范圍內(nèi)的標(biāo)稱頻率。

    振蕩器使用在制造過程中以不同角度切割的石英晶振來產(chǎn)生不同的溫度響應(yīng)。普通XO溫度穩(wěn)定性

    評級包括20ppm，50ppm和100ppm.ppm越低意味著輸出頻率在給定的溫度范圍內(nèi)越穩(wěn)定。

    值得注意的是，頻率穩(wěn)定性知識了解振蕩器頻率變化的一個方面。潛在頻率偏差的完整測量稱為總穩(wěn)定性，它是溫度下頻率穩(wěn)定性，25°C下初始精度以及特定時間和溫度下老化的總和。如圖3所示，總穩(wěn)定性揭示了晶振在其工作壽命期間可能產(chǎn)生的較差頻率。

    XO可能在溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性，但這種測量僅與它在室溫下提供的標(biāo)稱頻率相關(guān)。因此，對于某些設(shè)備，如SAW振蕩器，SAW濾波器初始精度誤差可能相當(dāng)大，必須加以考慮。

    類似地，晶振經(jīng)過長時間緩慢老化，這導(dǎo)致輸出頻率緩慢漂移。一些振蕩器供應(yīng)商規(guī)定在25℃下老化僅一年，而更保守的供應(yīng)商規(guī)定在更高溫度下老化10年，為長期運(yùn)行提供了更可靠的保證。

    老化條件會對振蕩器的總體穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，有時會使蘋果比較困難。當(dāng)有疑問時，在更嚴(yán)格的條件下，使用具有保證規(guī)格的定時裝置來提供更多的設(shè)計(jì)余量會更安全。