标签: 晶振参数

晶振是电子设备中用于产生稳定时钟信号的关键元件，其短期稳定度直接影响设备的精度和可靠性。短期稳定度是指晶振在短时间内(通常为几秒到几分钟)频率波动的程度。 环境因素 温度变化：石英晶体的物理尺寸和振荡频率会随温度变化而变化，导致频率漂移。温度变化会影响晶体的热膨胀系数，从而影响振荡频率。 机械振动和冲击：机械振动和冲击会引起晶体的机械应力变化，导致频率波动。这在移动设备或工业环境中尤为明显。振动可能导致晶体的物理形状发生变化，从而影响其振荡频率。 电气因素 电源噪声：电源噪声是由电源的不稳定性或其他设备的干扰产生的。通过电源线路传导到晶振电路中，影响晶振稳定的频率输出。 负载变化：负载电容的变化会导致振荡频率的偏移。负载变化可能由于电路中其他元件的变化或外部连接的变化引起。 技术参数的影响 晶片切割: 常用的AT切割晶体在常用温度范围内具有较好的温度稳定性。不同的切割角度会导致不同的频率温度系数，从而影响短期稳定度。 等效串联电阻: ESR表示晶体在谐振频率下的电阻值。较高的ESR可能导致振荡器启动困难，并增加相位噪声，从而影响短期稳定度。 负载电容: 负载电容是指晶振在电路中工作的电容值。负载电容的变化会影响振荡频率的稳定性。设计时需要确保负载电容与晶振的标称值匹配，以减少频率偏移。 驱动电平: 驱动电平是指施加到晶振上的电压或电流。过高或过低的驱动电平都会影响晶振的稳定性。适当的驱动电平可以确保晶振在最佳状态下工作，减少频率波动。 相位噪声: 相位噪声是指振荡信号在频域中的噪声特性。低相位噪声意味着更好的短期稳定度。相位噪声受电路设计、电子元件选择和电源质量的影响。 提高短期稳定的方法 优化电路设计：使用低噪声电源和高质量元件减少电气干扰。 恒温和抗振动环境：采用恒温和抗振动环境来减少外界环境对晶振的影响。 高品质晶体：确保其切割和材料的精密性。 TCXO/OCXO：温度补偿晶振或KOAN恒温晶振，有效减小温度变化对频率的影响。

在频率相同的情况下，不同尺寸的晶振替换是可行的。凯擎小妹建议您全面考虑各项技术参数和应用要求，以确保替换后的系统可以稳定可靠的运行。 晶振利用石英晶体的 压电效应 来产生振荡信号。当施加电压时，石英晶体会发生机械变形，反之亦然。 这种特性使得石英晶体能够在特定频率下产生稳定的振荡信号。晶振的频率由其物理尺寸和切割方式决定，因此在选择和替换晶振时，频率匹配是首要考虑的因素。此外，晶振的尺寸和体积也可能影响其在电路中的性能和适用性。 尺寸对晶振性能的影响 1. 机械强度和稳定性：较大尺寸的晶振可能在某些情况下具有更好的机械强度和抗振动性能，但这主要取决于设计、材料和封装。此外，较大的晶振可能在温度变化时频率漂移较小。 2. 电气特性：晶振的尺寸也会影响其电气特性，如等效电阻ESR、负载电容和驱动电流。较小的晶振可能具有较高的等效电阻，这可能会影响振荡器的启动时间和功耗。电路设计中需要考虑负载电容的匹配，以确保振荡器的稳定工作。 3. 安装： 不同尺寸的晶振通常采用不同的封装形式，这会影响其在电路板上的安装方式。较小的晶振通常采用表面贴装技术，而较大的晶振可能需要通孔安装。 替换步骤 1. 核对参数： 仔细对比频率规格、检查负载电容要求、确认工作温度范围、验证电气特性参数 2. 安装评估： 测量PCB可用空间、确认焊接工艺可行性、检查引脚匹配情况 3. 测试晶振： 进行频率准确度测试、检查起振可靠性、验证温度特性、进行EMC测试 4. 可靠性评估： 老化测试、温度循环测试、振动测试

在谐振器(无源晶振)S&A250B测试软件中，DLD1到DLD7主要用于分析晶体在 不同驱动功率下的阻抗变化 。此外，还有其他DLD参数用于 反映晶振的磁滞现象，以及其频率和功率特性 。这些参数可以帮助工程师全面了解KOAN晶振在不同功率条件下的动态特性，从而优化其应用和性能。 磁滞现象 晶振的磁滞现象(Hysteresis)是指在驱动功率变化时，晶体的阻抗或频率无法立即恢复至初始状态，而表现出 滞后效应 。 1. DLDH： Hysteresis Ratio (MaxR/MinR) 在不同驱动功率下，晶体的最大阻抗与最小阻抗的比值。比值越大，说明阻抗变化幅度越大，晶振在功率变化中的非线性程度更高。DLDH用于量化功率变化过程中磁滞现象的相对程度。 2. DLDH2： Hysteresis Difference (MaxR - MinR) 在不同驱动功率下，晶体最大阻抗和最小阻抗的绝对差值。直观反映阻抗变化的幅度。DLDH2帮助分析晶振的功率响应范围和非线性行为。 3. DLDH2P： Power Level of Max Hysteresis (MaxR - MinR) 晶振在磁滞扫描中，最大阻抗与最小阻抗差值达到最大值时的驱动功率。确定晶振在特定功率范围内的性能瓶颈或非线性峰值。DLDH2P帮助优化驱动的条件，避免晶振工作在影响性能的功率范围内。 阻抗变化分析 阻抗变化是晶振性能的关键指标，直接关系到其与电路的匹配程度及振荡的稳定性。 1. DLDHP： Power of Worst Impedance Ratio (Rmax/Rmin) 最大阻抗与最小阻抗的比值达到最差值时的驱动功率。表征晶振在极端条件下的阻抗变化。DLDHP用于评估晶振在最恶劣功率条件下的可靠性和稳定性。 频率与功率特性 频率和功率参数用于评估激励功率对晶振性能的具体影响，并对测试设备和设计进行校准。 1. DLDF： Frequency at a Specific DLD Step 在特定驱动功率下，晶体的振荡频率。反映驱动功率对振荡频率的微小影响，检测频率稳定性。DLDF用于分析KOAN晶振是否满足高精度应用的要求。 2. DLDFP： Power Output at a Specific DLD Step 某一特定功率点的实际功率输出。检测是否存在功率耗散或驱动功率偏差。校准测试设备，确保测试条件的准确性和一致性。 3. DLDR： Resistance at a Specific DLD Step 特定功率下的晶振等效阻抗。评估激励功率对阻抗的影响，观察阻抗随功率变化的趋势。改善电路与晶振的阻抗匹配，确保振荡器稳定起振。

不同晶振的参数会对其性能和可靠性产生影响，其中“激励功率”是一个关键指标。石英晶振的激励等级通常根据晶振在各种工作状态下的能耗，或其电流等级来定义和表示。 I: 晶振工作时的电流。 RL: 电路中的总等效负载电阻。 激励功率的参考值 不同类型和封装的石英晶振对激励功率的要求都不一样，以下是几种常见晶振的激励功率推荐值及最大值： - 49U/49S/49M晶振：100µW (500µW max) - SMD MHz晶振：10µW（50µW max) - 32.768kHz晶振：0.1 µW (0.5µW max) 设计电路时，凯擎小妹建议您确保激励功率在推荐范围内，且不超过最大激励功率。具体参数需以晶振的规格书为准。以KOAN晶振KX49S为例： 另外，在小型化和低功耗的发展趋势下，激励功率，驱动电流，体积，功率相应减少，导致驱动能力变弱。 激励功率过高 1. 频率变化: 激励功率过高会导致振幅增大，从而引发幅频效应。这种效应会改变晶振的机械应力与弹性常数，从而导致振荡频率有明显变化，影响设备的正常工作。 2. 热应力增加: 过高的功率会在晶片两电极之间形成不均匀的温度场，导致热应力增大，进而影响频率稳定性，严重时可能导致晶片损坏。 3. 晶振老化: 长期在高激励功率下运行会加速晶振老化，缩短使用寿命，增加维修或更换的成本。 激励功率过低 1. DLD效应: 激励功率不足时，晶振的振荡能力下降，容易出现驱动功率相关性(DLD)效应。晶振的频率可能随着激励功率的波动而变化。 2. 晶振无法起振: 若激励功率过低，电路的振荡裕量不足，可能导致晶振无法启动振荡，使设备无法正常运行。 如何减少驱动功率 1. 增加阻尼电阻: 在电路中增加适当的阻尼电阻，可以减小反相放大器的输出幅度，从而降低驱动功率。但需确保振荡裕量大于晶振等效电阻的5倍，以保证振荡器稳定运行。 2. 减少外部负载电容: 减小外部负载电容可以增加振荡电路的阻抗，从而降低实际驱动功率。然而，需注意负载电容的调整可能影响振荡频率，必须确保频率仍在允许范围内。

在晶振电路设计中，近端和远端的相位噪声会受到不同因素的影响。通常，晶振的近端相噪主要由晶体自身的参数决定，而远端相噪则更多地依赖于晶体匹配的振荡IC的特性。电性能参数，如起振时间、负载电容、负性阻抗，都对近端和远端相位噪声都有重要影响。 KOAN凯擎小妹建议优先确保近端的稳定性，同时通过适当减少晶体电流和负载电容来改善近端相噪。另外，通过增加电流可以优化远端的相噪表现。在设计晶振电路时，建议根据应用需求在相噪、起振时间和负载电容之间进行合理权衡，以优化电路性能。 1. 起振时间(T) 起振时间的长短主要由晶体的谐振电阻和振荡器的负性阻抗共同决定。高Q值的晶体谐振电阻较小，因此起振速度更快。公式如下， 其中谐振电阻R，负电阻Rˉ、动态电感L、动态电容C1、频率ω、k为常数(12~30)： 2. 负性阻抗(Rˉ) KOAN振荡器的负性阻抗通常设计为晶体谐振电阻的3至20倍，这样可以有效加快起振过程并提高振荡的稳定性。负性阻抗的倍数越高，起振速度越快。 其中：gm为跨导，与振荡IC的设计相关。在负载电容CL较小的情况下，增加 gm的值可以提高负性阻抗，从而加快起振。 3. 负载电容(CL) 负载电容的大小不仅影响振荡器的负性阻抗，还会对近端和远端相噪带来不同的影响： 小的CL ：较小的负载电容使负性阻抗变大，起振速度更快，牵引量更大，但同时也更容易受到杂散电容的影响。这对近端相噪有利，但可能增加远端相噪。 大的CL ：较大的负载电容会减小负性阻抗，导致起振速度较慢，但杂散电容的影响较小，有助于提升远端相噪的稳定性，可能对近端相噪不利。