晶振進階，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、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。抱負狀態(tài)下，短期的晶振的輸出是完美的正弦波。但是抱負系統(tǒng)中隨機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，有可能達到幾十ppm.計算等應(yīng)用能夠承受這一點，但是對于導(dǎo)航、雷達、無線電通信、衛(wèi)星通信等對準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，因為負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載電容器時，電容器與雜散電容的容差會導(dǎo)致實際負載電容違背所需值。負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：負載電容；

    *CL：實際電容。

  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)計余量會更安全。