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怎樣實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘晶振高穩(wěn)定性的工作

作者： 揚(yáng)興晶振 日期：2022-06-13 瀏覽量：

  很多電子工程師，在設(shè)計(jì)晶振電路使用晶振時(shí)，常會(huì)碰到這樣的問(wèn)題，一是晶振在電路中匹配不理想，影響使用效果;二是晶振的溫度漂移太大，甚至影響產(chǎn)品的整體性能。市面上常用的晶振有兩種：無(wú)源晶振和有源晶振。


  而考慮到成本的問(wèn)題，很多用戶(hù)選擇了無(wú)源晶振，其使用效果不僅取決于晶振本身的指標(biāo)，還與振蕩電路的設(shè)計(jì)匹配關(guān)聯(lián)性極大，因此，也會(huì)出現(xiàn)匹配不理想的狀況。而有源晶振是直接將晶體與鐘振IC“捆綁”封裝調(diào)試后，提供給用戶(hù)，從而避免了客戶(hù)端因晶體負(fù)載匹配不當(dāng)，造成電路頻率漂移的問(wèn)題，接下來(lái)?yè)P(yáng)興與大家淺談?dòng)性淳д癖苊忸?lèi)似不良的問(wèn)題。



  石英晶體俗稱(chēng)水晶，成分為二氧化硅，具有“壓電效應(yīng)”和極高的品質(zhì)因數(shù)，被應(yīng)用于各種振蕩電路，其頻率穩(wěn)定度一般可以達(dá)到10-6~10-8數(shù)量級(jí)，甚至更高。然而其頻率精度受到石英晶體自身所固有的兩個(gè)特性影響：頻率牽引量(TS)和溫漂。


  頻率牽引量：石英晶體頻率精度隨著負(fù)載電容變化而變化的物理量，單位為PPM/PF。


  溫漂：晶體頻率精度隨著溫度的變化而變化的物理量，是石英晶體所固有的特性，其頻率溫度曲線(xiàn)與石英晶片的切型和切角有關(guān)。


  從用戶(hù)使用角度來(lái)說(shuō)，用戶(hù)雖無(wú)法改變晶片的切型和切角，但可以改變振蕩回流的負(fù)載，因此，在使用晶體振蕩器時(shí)，容易出現(xiàn)因負(fù)載不匹配造成的頻率漂移現(xiàn)象。


  時(shí)鐘晶振之所具有高精度和高穩(wěn)定性，原因在于時(shí)鐘晶振內(nèi)部使用了振蕩IC，在未對(duì)時(shí)鐘晶振封裝前，就通過(guò)對(duì)水晶片上的電極噴銀或者刻蝕等方式改變晶片厚度，這同于對(duì)晶體頻率進(jìn)行微調(diào)，從而使振蕩電路輸出想要的目標(biāo)頻率，避免了因負(fù)載不匹配造成的頻率漂移，提高了振蕩電路的精度。


  石英晶體還有一個(gè)重要的特性——溫漂。所有的石英晶體材料做成的頻率器件，均有一定的溫漂。溫漂成為影響石英晶體諧振器及石英晶體振蕩器頻率精度的重要因素。溫補(bǔ)晶振(TCXO)、恒溫晶振(OCXO)都是針對(duì)晶體的頻率溫度特性做相應(yīng)的補(bǔ)償，溫補(bǔ)晶振(TCXO)頻率精度小于±2.5PPM，恒溫晶振(OCXO)小于±10PPB(1PPB=10-3PPM)，甚至更高。溫度補(bǔ)償，成為彌補(bǔ)石英晶體溫漂的重要手段。然而，市面上針對(duì)KHz級(jí)別的溫補(bǔ)鐘振少之又少，其原因可以從晶體的切型方面分析。



  石英晶片的切型大致可以分為AT切、BT切、CT切、DT切等，不同的切型，所對(duì)應(yīng)的頻率溫度曲線(xiàn)不一樣。音叉32.768KHz晶體頻率溫度曲線(xiàn)為二次拋物線(xiàn)，隨著工作溫度偏離常溫25℃越遠(yuǎn)，溫漂也隨之變大，-10℃~+60℃其溫漂達(dá)到將近50ppm，如按工業(yè)級(jí)-40℃~+85℃計(jì)算，溫漂高達(dá)151ppm，難以適應(yīng)工業(yè)級(jí)工作溫度范圍的電子產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償也較為困難，因此，市面上針對(duì)32.768KHz的溫補(bǔ)晶振(TCXO)很少，且價(jià)格極為昂貴。對(duì)于一般的消費(fèi)類(lèi)電子行業(yè)，如需工業(yè)級(jí)-40℃~+85℃，且溫度頻差控制在±30PPM以?xún)?nèi)，使用普通音叉型32.768KHz晶體，是無(wú)法滿(mǎn)足這一要求的。如果能將晶片切型改為AT切的切型，那么工業(yè)級(jí)溫度頻差控制在±30PPM以?xún)?nèi)將不成問(wèn)題。




  下面來(lái)了解一下AT切 32.768KHz鐘振是如何實(shí)現(xiàn)的。AT切晶體頻率溫度曲線(xiàn)為三次曲線(xiàn)，呈躺著的“S”型曲線(xiàn)，隨著溫度的變化，溫漂呈“S”型軌跡變化，大致在-10℃和+60℃時(shí)，有兩個(gè)“拐點(diǎn)”，即溫漂又會(huì)反方向拐回來(lái)。因此，只要控制好晶片的切角在一定的公差范圍內(nèi)，那么保證兩個(gè)拐點(diǎn)溫漂在-40℃~+85℃時(shí)不超過(guò)±30PPM并不是一件難事。然而，AT切晶體只針對(duì)MHz頻率的晶體，如何轉(zhuǎn)換成32.768KHz頻率?時(shí)鐘晶振32.768KHz通過(guò)分頻方式，便可以實(shí)現(xiàn)。如采用AT切16.777216MHz晶體，通過(guò)512分頻，那么就可以得到想要的32.768KHz頻率。時(shí)鐘晶振實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的分頻并不困難，都集成在振蕩IC內(nèi)部。因此，使用AT切MHz分頻實(shí)現(xiàn)的32.768KHz鐘振，在頻率溫度特性上，有很大的改良，在沒(méi)有進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，-40℃~+85℃條件下，溫度頻差保持在±30PPM甚至±20PPM都是可以實(shí)現(xiàn)的。


  以上提到時(shí)鐘晶振的高精度和高穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于時(shí)鐘晶振減少繁瑣的晶體負(fù)載匹配過(guò)程，且使用了的振蕩IC，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。32.768KHz鐘振，采用AT切MHz晶片通過(guò)分頻方式，大大改良了產(chǎn)品的溫度頻差特性。同時(shí)也會(huì)存在一些不足，采用MHz分頻做出的32.768KHz在功耗上面會(huì)略比使用KHz為振蕩源的功耗會(huì)略大，一般工作輸入電流<0.5mA (3V)，靜態(tài)消耗電流<10μA，功耗從實(shí)際測(cè)試上看，還是比較小的。因此，對(duì)32.768KHz頻率有特定的溫度頻差要求的產(chǎn)品，不妨可以考慮一下時(shí)鐘晶振32.768KHz。

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