晶振的温度漂移
2022-06-28

  石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

  很多工程师,在电路中使用晶振时,经常会碰到这样的烦恼,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,甚至影响产品的性能。

  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。温补钟振(TCXO),恒温钟振(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。

  石英晶片的切型大致可以分为AT切、BT切、CT切、DT切等,不同的切型,所对应的频率温度曲线不一样。

  AT切32.768KHZ钟振来解决难题

  音叉32.768KHZ晶体频率温度曲线为二次抛物线,随着工作温度偏离常温25℃越远,温漂也随之变大,-10℃~60℃其温漂达到将近50ppm,如按工业级-40℃~85℃计算,温漂高达151ppm,难以适应工业级工作温度范围的电子产品,对其进行温度补偿也较为困难,因此,市面上针对32.768KHZ的TCXO很少,且价格极为昂贵。对于一般的消费类电子行业,如需工业级-40℃~85℃,且温度频差控制在±30ppm以内,使用普通音叉型32.768KHZ晶体,是无法满足要求的。然而,如果能将晶片切型改为AT切的切型,那么工业级温度频差控制在±30ppm以内将不成问题。下面来了解一下AT切 32.768KHZ钟振是如何实现的。

  AT切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。然而,AT切晶体只针对MHZ频率的晶体,如何转换成32.768KHZ频率?钟振32.768KHZ通过分频方式,便可以实现。如采用AT切16.777216MHZ晶体,通过512分频,那么就可以得到想要的32.768KHZ频率。钟振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都是可以实现的。

  以上提到钟振的高精度和高稳定性,关键在于钟振减少繁琐的晶体负载匹配过程,且使用了专业的振荡IC,提高了产品的稳定性。32.768KHZ 钟振,采用AT切MHZ晶片通过分频方式,大大改良了产品的温度频差特性。然而,不得不指出,采用MHZ分频做出的32.768KHZ在功耗上面会略比使用KHZ最为振荡源的功耗会略大,一般工作输入电流<0.5mA (3V),静态消耗电流<10uA,功耗从实际测试上看,还是比较小的。因此,对32.768KHZ频率有特定的温度频差要求的产品,不妨可以考虑一下钟振32.768KHZ。

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