影響晶振頻率漂移的5大因素!

作者： 揚(yáng)興科技 日期：2021-09-27 瀏覽量：

  如今科技時(shí)代，石英晶體幾乎是所有頻率控制設(shè)備的核心。隨著市場需求量快速增長，同時(shí)對其性能的要求向高頻率和高精度，那么影響到晶振頻率的因素有哪些呢?

  頻率最高可達(dá)1500MHZ，高精度至±10PPM

  01、溫度

  溫度在這里是我們列表的首位，因?yàn)樗菍?dǎo)致頻率漂移的最重要原因。不同的晶體切割具有不同的頻率-溫度特性。圖1顯示了典型AT-cut晶體諧振器的頻率-溫度特性(這里，AT、SC或GT代表不同的晶體切割方法)。其中φ表示切割角。可以看出，不同切割角度的晶體具有不同的頻率-溫度曲線。下面是一些晶體諧振器的溫度特性。

  1)晶體切割一般表現(xiàn)出對溫度的立方依賴關(guān)系。

  2)在大多數(shù)情況下，可以通過改變晶圓與晶軸的夾角來改變零溫度系數(shù)點(diǎn)。

  AT-cut晶體諧振器頻溫特性

  02、老化

  晶體諧振器的頻率隨工作時(shí)間的變化而變化，這種物理現(xiàn)象稱為老化。具有代表性的老化如下圖所示：

  晶體諧振器的老化

  應(yīng)該注意的是，雖然這個(gè)圖是單方向的，但情況并非總是如此，隨著時(shí)間的推移，老化率可以反轉(zhuǎn)。當(dāng)晶圓片的振動(dòng)模式為厚度剪切時(shí)，如AT切割和SC切割晶體，老化主要是由于：

  1)熱梯度的影響。它會(huì)在熱平衡后持續(xù)幾分鐘到幾小時(shí)。圖3顯示了兩個(gè)晶體的溫度梯度效應(yīng)和升溫特性，每一個(gè)晶體都包含一個(gè)在6分鐘內(nèi)達(dá)到熱平衡的烘箱。一個(gè)包含AT-cut，另一個(gè)包含SC-cut。6分鐘后的頻率變化來自圖3中的熱梯度效應(yīng)。

  我們可以看到SC-cut比AT-cut有更好的性能。在熱平衡之前，我們不需要考慮老化速率，因?yàn)榫w只需要3到10分鐘，而其他振蕩器只需要幾秒鐘。

  AT-cut和SC-cut晶體升溫特性和熱梯度效應(yīng)

  2)壓力釋放的效果。它是上述加熱過程的一個(gè)函數(shù)，將持續(xù)3天到3個(gè)月。

  3)晶體極性板質(zhì)量的增加和減少，這是由于氣體的吸收和分解所引起的，并將持續(xù)數(shù)周至數(shù)年。晶體結(jié)構(gòu)的改變是由晶格缺陷引起的，這是一種長期效應(yīng)。

  4)在低頻石英晶體諧振器中，當(dāng)振動(dòng)模式為面剪時(shí)，老化速率最低。彎曲振動(dòng)時(shí)時(shí)效率較高，延伸振動(dòng)時(shí)時(shí)效率最高。當(dāng)振動(dòng)模式相同時(shí)，較低的頻率和較大的極板晶體的老化速率較低。

  老齡化效應(yīng)可以分為前期和后期兩個(gè)時(shí)間段。前期老化(1-2個(gè)月)有較高的老化率，這個(gè)老化率可以達(dá)到1×10-7/月(此數(shù)字表示頻率準(zhǔn)確度將會(huì)改變1×10-7每月)到1×10-8/月。后期，當(dāng)晶體運(yùn)行1-2個(gè)月時(shí)，老化率可降低到(1~3)×10-9到(1~3)×10-10/月。

  03、激勵(lì)電平

  激勵(lì)電平有大小之分，一般來講偏小的激勵(lì)電平對長穩(wěn)有利，激勵(lì)電平太大的時(shí)候石英片振動(dòng)變強(qiáng)，這樣會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)區(qū)域溫度升高，從而導(dǎo)致頻率的穩(wěn)定度降低。激勵(lì)電平過大會(huì)使等效電阻增加，容易激起寄生振動(dòng)，由于機(jī)械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移，使頻率產(chǎn)生永久性的變化，甚至有時(shí)會(huì)把石英片振壞。

  石英晶片

  在一個(gè)精確的晶體諧振器中，振蕩器的頻率也依賴于晶體電流或驅(qū)動(dòng)電平。方程是:

  Δf/f≈ki2

  這里，ⅰ是流過晶體的交流電流水是一個(gè)常數(shù)，它取決于晶體。Δf/f為振動(dòng)頻率的相對變化量。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)，老化性能和長期頻率穩(wěn)定性會(huì)變差。但當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平過小時(shí)，噪聲電流可能比晶體電流大，這會(huì)導(dǎo)致短期頻率穩(wěn)定性變差。目前，正常的2.5MHz和5MHZ高精度晶體振蕩器的驅(qū)動(dòng)電平小于70μA。

  激勵(lì)電平的大小直接影響晶體諧振器的性能，一般取70-100uA為佳;用激勵(lì)功率表示時(shí)，一般取1-100uW為佳。電路設(shè)計(jì)者一定要嚴(yán)格控制晶體諧振器在規(guī)定的激勵(lì)電平下工作，以便充分發(fā)揮晶體諧振器的特點(diǎn)。

  04、負(fù)載電容

  電容性負(fù)載的變化會(huì)影響頻率，晶體振蕩器必須與變化的負(fù)載匹配，這說明了可用的晶體組件種類繁多。

  晶體的負(fù)載電容和頻率的誤差的關(guān)系圖

  還必須考慮最大驅(qū)動(dòng)功率，如果石英晶體不斷暴露在超出預(yù)期最大功率的超速驅(qū)動(dòng)條件下，它會(huì)迅速老化。

  甚至將其放置在板上也會(huì)影響負(fù)載，無論是重新放置晶體本身還是重新布線其他組件。所有這些都是潛在的機(jī)械共振源，必須在振蕩器電路設(shè)計(jì)過程中加以考慮和測試。

  05、電源電壓

  電源電壓的變化可能導(dǎo)致振蕩器電路的有效電阻發(fā)生變化，從而導(dǎo)致頻率漂移。常見的解決方案是使用穩(wěn)壓電源，以確保無論設(shè)備消耗多少電流，輸出電壓都將始終保持在電源的額定值。

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