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  • 晶振频率漂移,你知道原因在哪里吗?
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在现代世界,石英晶体几乎是所有频率控制设备的核心。随着市场需求量快速增长,同时对其性能的要求向高频率和高精度,那么影响到晶振频率的因素有哪些?

 

频率最高可达1500MHZ,高精度至±10PPM

 

01

温度

 

温度在这里是我们列表的首位,因为它是导致频率漂移的最重要原因。不同的晶体切割具有不同的频率-温度特性。图1显示了典型AT-cut晶体谐振器的频率-温度特性(这里,AT、SC或GT代表不同的晶体切割方法)。其中φ表示切割角。可以看出,不同切割角度的晶体具有不同的频率-温度曲线。下面是一些晶体谐振器的温度特性。

 

1)晶体切割一般表现出对温度的立方依赖关系。

2)在大多数情况下,可以通过改变晶圆与晶轴的夹角来改变零温度系数点。

 

图1:AT-cut晶体谐振器频温特性

 

02

老化

 

晶体谐振器的频率随工作时间的变化而变化,这种物理现象称为老化。具有代表性的老化如图2所示:

 

图2:晶体谐振器的老化

 

应该注意的是,虽然这个图是单方向的,但情况并非总是如此,随着时间的推移,老化率可以反转。当晶圆片的振动模式为厚度剪切时,如AT切割和SC切割晶体,老化主要是由于:

 

1)热梯度的影响。它会在热平衡后持续几分钟到几小时。图3显示了两个晶体的温度梯度效应和升温特性,每一个晶体都包含一个在6分钟内达到热平衡的烘箱。一个包含AT-cut,另一个包含SC-cut。6分钟后的频率变化来自图3中的热梯度效应。

 

我们可以看到SC-cut比AT-cut有更好的性能。在热平衡之前,我们不需要考虑老化速率,因为晶体只需要3到10分钟,而其他振荡器只需要几秒钟。

 

图3:AT-cut和SC-cut晶体升温特性和热梯度效应

 

2)压力释放的效果。它是上述加热过程的一个函数,将持续3天到3个月。

 

3)晶体极性板质量的增加和减少,这是由于气体的吸收和分解所引起的,并将持续数周至数年。晶体结构的改变是由晶格缺陷引起的,这是一种长期效应。

 

4)在低频石英晶体谐振器中,当振动模式为面剪时,老化速率最低。弯曲振动时时效率较高,延伸振动时时效率最高。当振动模式相同时,较低的频率和较大的极板晶体的老化速率较低。

 

老龄化效应可以分为前期和后期两个时间段。前期老化(1-2个月)有较高的老化率,这个老化率可以达到1×10-7/月(此数字表示频率准确度将会改变1×10-7每月)到1×10-8/月。后期,当晶体运行1-2个月时,老化率可降低到(1~3)×10-9到(1~3)×10-10/月。

 

03

激励电平

 

激励电平有大小之分,一般来讲偏小的激励电平对长稳有利,激励电平太大的时候石英片振动变强,这样会导致振动区域温度升高,从而导致频率的稳定度降低。激励电平过大会使等效电阻增加,容易激起寄生振动,由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移,使频率产生永久性的变化,甚至有时会把石英片振坏。

 

图4:石英晶片

 

在一个精确的晶体谐振器中,振荡器的频率也依赖于晶体电流或驱动电平。方程是:

 

Δf/f≈ki²

 

这里,ⅰ是流过晶体的交流电流水是一个常数,它取决于晶体。Δf/f为振动频率的相对变化量。当驱动电流较大时,老化性能和长期频率稳定性会变差。但当驱动电平过小时,噪声电流可能比晶体电流大,这会导致短期频率稳定性变差。目前,正常的2.5MHz和5MHZ高精度晶体振荡器的驱动电平小于70μA。

激励电平的大小直接影响晶体谐振器的性能,一般取70-100uA为佳;用激励功率表示时,一般取1-100uW为佳。电路设计者一定要严格控制晶体谐振器在规定的激励电平下工作,以便充分发挥晶体谐振器的特点。

 

04

负载电容

 

电容性负载的变化会影响频率,晶体振荡器必须与变化的负载匹配,这说明了可用的晶体组件种类繁多。

 

图5:晶体的负载电容和频率的误差的关系图

 

还必须考虑最大驱动功率,如果石英晶体不断暴露在超出预期最大功率的超速驱动条件下,它会迅速老化。

 

甚至将其放置在板上也会影响负载,无论是重新放置晶体本身还是重新布线其他组件。所有这些都是潜在的机械共振源,必须在振荡器电路设计过程中加以考虑和测试。

 

05

电源电压

 

电源电压的变化可能导致振荡器电路的有效电阻发生变化,从而导致频率漂移。常见的解决方案是使用稳压电源,以确保无论设备消耗多少电流,输出电压都将始终保持在电源的额定值。

 

 



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