晶振选型:晶振频偏与温漂问题解决方案

晶振在实际的电路应用中,我们经常会遇到两种问题:一是晶振在电路中匹配不理想,影响使用效果;二是晶振的温度漂移太大,甚至影响产品性能,如:晶振工作频率在低温作用下发生频偏,导致与芯片主频工作频率不匹配。

究其原因,晶振分为无源晶振和有源晶振两大类。无源晶振的使用效果不仅取决于本身电气参数,还与振荡电路的设计匹配关联性极大,因此常常出现匹配不理想的状况。有源晶振是直接将石英晶体与IC调试到最佳状态封装后,提供给用户,避免了客户端因无源晶振负载匹配不当造成电路频率偏差问题。

无源晶振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

指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

指石英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割角度有关。

从用户使用角度讲,用户无法改变晶片的切割角度及切型,却很容易改变振荡回流的负载,也正因此原因,客户在使用无源晶振时,容易出现因负载不匹配造成的频率频偏现象。

有源晶振之所具有高精度和高稳定度,原因在于其内部使用了专业振荡芯片。在有源晶振尚未封装之前,晶振厂家通过对石英晶片上的电极喷银或者刻蚀等方式改变晶片厚度,从而达到对晶体频率的微调,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偏移,大大提高了振荡电路的频率信号精度。

关于温漂问题,温漂是石英晶体的一个重要的特性。所有石英晶体材料做成的晶振产品,均存在一定温漂,因此温漂成为影响晶振频率精度的重要因素。

音叉32.768KHZ无源晶振频率温度曲线为二次抛物线(如下图所示),随着工作温度偏离常温25℃越远,温漂也随之变大。如需工业级晶振(工作温度为-40℃~85℃),且温度频差控制在±30ppm以内,使用普通音叉型32.768KHz无源晶振将无法满足要求。然而,如果能将石英晶片切型改为AT切,那么工业级温度频差控制在±30ppm以内将不成问题。

KHz音叉型石英晶体频率随温度变化曲线如下:

晶振选型:晶振频偏与温漂问题解决方案

(音叉32.768KHZ无源晶振频率温度曲线为二次抛物线)

晶振选型:晶振频偏与温漂问题解决方案

(音叉32.768KHZ石英晶片)

 

晶振选型:晶振频偏与温漂问题解决方案

(音叉32.768KHZ无源晶振:圆柱体直插型)

 

我们都知道,AT切MHz石英晶体频率温度曲线为三次曲线,呈躺着的”S”型曲线,随着温度的变化,温漂呈”S”型轨迹变化,大致在-10℃和+60℃时,有两个”拐点”,即温漂又会反方向拐回来。因此,只要控制好晶片的切角在一定的公差范围内,那么保证两个拐点温漂在-40℃~85℃时不超过±30ppm并不是一件难事。如下图所示:

晶振选型:晶振频偏与温漂问题解决方案

 

AT切MHz石英晶体频率随温度变化曲线如下:

晶振选型:晶振频偏与温漂问题解决方案

附:频率32.768KHz获取方法

一、 采用光刻技术,替换传统音叉石英晶片

该技术主要应用于贴片式32.768KHz无源晶振,主流封装为FC-135/SMD3215。注:圆柱体晶振采用的为音叉型石英晶片。

晶振选型:晶振频偏与温漂问题解决方案

(采用光刻技术生产的贴片式32.768KHz无源晶振:FC-135/SMD3215)

二、 采用分频技术

该技术主要应用于32.768KHz有源晶振,如下图所示:

晶振选型:晶振频偏与温漂问题解决方案

(晶诺威科技贴片式32.768KHz有源晶振OSC3225)

有源晶振32.768KHz通过分频方式,便可以实现。如采用AT切16.777216MHz石英晶体,通过512分频,那么就可以得到想要的32.768KHz频率。有源实现对频率的分频并不困难,都集成在振荡IC内部。因此,使用AT切MHZ 分频实现的32.768KHZ钟振,在频率温度特性上,有很大的改良,在没有进行温度补偿的时候,-40℃~85℃条件下,温度频差保持在±30ppm甚至±20ppm均可实现。

拓展阅读:关于晶振频率准确度和频率稳定度的区分

频率准确度

频率准确度是指晶振的实际输出频率与其标称频率之间的偏差。通常用ppm(百万分之一)来表示,数值越小,表示晶振的实际频率越接近理想值。例如,一个标称为12MHz的晶振,如果其频率准确度为10ppm,那么它的实际频率偏差就是120Hz。

频率准确度受到多种因素的影响,包括制造公差、初始调节误差、温度变化以及电源电压变化等。即使是同一批次的晶振,也可能因为细微的加工误差而表现出不同的频率准确度。

此外,出厂校准时可能存在的微小误差也会影响频率准确度。温度变化对频率准确度的影响尤为显著,尽管在+25℃室温下晶振的准确度较高,但温度的变化会导致频率的偏移。电源电压的波动同样会导致频率的偏移,因此在实际应用中需要特别注意供电电压的稳定性。

频率稳定度

频率稳定度描述的是晶振的频率随时间、温度、电源电压、机械振动等因素变化的程度。它衡量的是在不同环境条件下,晶振频率的漂移情况。

与频率准确度相比,频率稳定度更多地关注的是晶振在长期使用过程中的频率变化情况。

温度是影响频率稳定度的主要因素之一。不同晶振的温度漂移特性各不相同,因此需要在选择晶振时特别关注其温度特性。电源电压的波动同样会影响晶振的频率稳定度,因此稳定的供电对于保持晶振的频率稳定至关重要。此外,晶振的频率还会随时间逐渐变化,这种变化通常以ppm/年来表示,称为晶振的老化。机械振动和冲击也可能导致晶振频率的瞬时漂移,因此在设计电路时需要采取必要的隔离和抗震措施。

晶振选型建议

晶振选型时,需要根据具体的应用需求来权衡频率准确度和频率稳定度。

对于要求精确计时或高精度通信的应用,如通信基站、卫星导航系统等,需要选择频率准确度和频率稳定度都较高的晶振。

对于一些对精度要求相对较低的消费类电子产品,如普通的智能家电,可以适当放宽对频率准确度和频率稳定度的要求。

在使用晶振时,为了确保其频率稳定性,可以采取一系列措施。例如,选择合适的晶振类型,避免晶振直接暴露在较大的温度变化下,采用温度补偿方法来实时监测温度变化并对频率进行补偿控制,保持供电电压的稳定性,以及采取隔离措施来减少机械振动和电磁干扰的影响。

频率准确度和频率稳定度是衡量晶振性能的重要指标。在选购和使用晶振时,需要充分了解这两个概念并根据具体的应用需求来选择合适的晶振类型和采取相应的措施来保持其频率稳定性。通过优化选材、控制温度、稳定供电和隔离外部干扰等措施,可以提高晶振的频率稳定性,从而确保电子设备和系统的正常、稳定、精确运行。

 

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