晶振电路负载匹配及温漂与频率超差的关系

关于晶振负载匹配及温漂与频率超差的关系,解释如下:

在数字电路中使用晶振时,我们经常会碰到这样的烦恼:一是无源晶振(晶体谐振器)在电路中负载电容匹配不理想带来的频率超差,影响使用效果;二是无源晶振的温度漂移太大产生的频率超差,甚至影响产品的性能。

晶振电路负载匹配及温漂与频率超差的关系

究其原因,无源晶振的使用效果不仅取决于晶振本身的电气参数指标,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。而有源晶振是直接将石英晶体与振荡IC“绑定”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,造成电路频率超差的麻烦。晶诺威科技SMD贴片式有源晶振(晶体振荡器)生产流程如下:

晶振电路负载匹配及温漂与频率超差的关系

关于有源晶振工作原理与制造流程

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。外加负载电容的大小与晶振输出频率的高低呈现关系为反比,即:振荡电路中负载电容越大,晶振输出频率呈现为下降趋势。反之,振荡电路中负载电容越小,晶振输出频率呈现为上升趋势。在常规无源晶振振荡电路中,两颗外接电容分别取值在6~33PF之间,一般采取等值方式。具体取值根据无源晶振实际输出频率的频偏状况为准。无源晶振电路应用原理图如下:

晶振电路负载匹配及温漂与频率超差的关系

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物理特性,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,客户在使用无源晶振时,容易产生因负载电容不匹配造成的频率超差问题。

晶振电路负载匹配及温漂与频率超差的关系

有源晶振之所以具有高精度和高稳定度,是因为其内部使用了专业振荡芯片,已经在未对有源晶振封装前,对石英晶片上的电极喷银或者刻蚀等方式达到了改变晶片厚度对晶体频率进行微调,从而使振荡电路输出更靠近目标频率的最佳频率,避免了因负载电容不匹配造成的频率漂移,最终达到了提高了振荡电路的精度和稳定度的目的。有源晶振测试电路如下:

晶振电路负载匹配及温漂与频率超差的关系

关于温漂的进一步说明

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±0.2ppm,OCXO小于±10ppb,甚至更高。“温度补偿”是目前改善石英晶体温漂造成其频偏现象的最重要方法之一。

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