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石英晶振作为一款频率元件,很多方面的因素都会对晶振产品的输出频率信号造成极大的,比如晶振产品自身的固有特性等不可控因素之外,除了固有属性以外,如温度这样的自然因素也会对它们的功能特性产生极大影响.今天主要说的就是温度方面的问题,温度一般是不可控的,一个恒温的工作环境更是不可能的,因为不仅周围温度在变化,而且电子产品在使用的时候也会随着石英的时长而产生热量,故晶振周围的温度往往越来越高.
目前在电子产品日新月异的今天,成本问题肯定是生产商考虑的重要因素,同样对晶振的运用也会考虑到成本因素,因此工程师在设计电路时,因有源晶体振荡器(俗称钟振)比普通无源谐振器价格高出5~10倍,从而更多地选择使用无源的晶体运用到电路中;只有在一些高端产品如工控类、高速通信类产品才比较青睐使用有源晶振,因此就产生了以上常见的问题.
究其原因,无源晶振的使用效果不仅取决于晶振本身的指标,还与振荡电路的设计匹配关联性极大,也常常出现匹配不理想的状况.有源晶振是直接将晶体与钟振IC"捆绑"封装调试后,提供给用户,避免了客户端因晶体负载匹配不当,造成电路频率漂移的麻烦,下面来浅谈有源晶振(钟振)是如何做到避免以上不良的.
石英晶体俗称水晶,成分为二氧化硅,具有"压电效应"和极高的品质因数,被应用于各种振荡电路,其频率稳定度一般可以达到10-6~10-8数量级,甚至更高.然而其频率精度受到石英晶体自身所固有的两个特性影响：频率牵引量(TS)和温漂.频率牵引量是描述石英晶体频率精度随着负载电容变化而变化的物理量,单位为PPM/PF.温漂是描述晶体频率精度随着温度的变化而变化的物理量,为石英晶体所固有的特性,其频率温度曲线与石英晶片的切型和切角有关.从用户使用角度讲,用户没法改变晶片的切角切型,却很容易改变振荡回流的负载,也正因此原因,客户在使用石英晶体谐振器时,容易出现因负载不匹配造成的频率漂移现象.
钟振之所具有高精度和高稳定度,原因在于钟振内部使用了专业振荡IC,已经在未对钟振封装前,通过对水晶片上的电极喷银或者刻蚀等方式改变晶片厚度对晶体频率进行微调,从而使振荡电路输出想要的目标频率,避免了因负载不匹配造成的频率漂移,提高了振荡电路的精度.
上文提到石英晶体还有一个重要的特性--温漂.所有的石英晶体材料做成的频率器件,均有一定的温漂.温漂成为影响石英晶体谐振器及石英晶体振荡器频率精度的重要因素.温补晶振(TCXO),恒温晶振(OCXO),都是针对晶体的频率温度特性做相应的补偿,频率精度TCXO小于±2.5ppm,OCXO小于±10ppb(1ppb=10-3ppm),甚至更高.温度补偿,成为弥补石英晶体温漂的重要手段.然而,市面上针对KHZ级别的温补钟振少之又少,其原因,我可以从晶体的切型方面分析.
温度方面的问题在上述内容中已经做了详细介绍,从那些内容也可以看出温度几乎不可控,所以解决起来也相当麻烦;就我个人来看,有源晶振系列产品普遍精度较高,而且对环境的适应性比较强,甚至还有一款较为特殊的石英晶体振荡器:温补晶振,这款晶振具备温度补偿电路,它之所以特殊就是因为可以通过周围的温度补偿做相应的补偿工作,然后改变频率变化量,但是这也是有限度的,超出极限同样会损坏产品.当然还有上述提到的恒温晶振也是相当不错的,具体的可根据自己的产品需求来选择.