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石英晶振工作原理和频率稳定性

发布时间:2019-10-22

【导读】石英晶振就是用石英材料做成的石英晶体谐振器,俗称晶振。起产生频率的作用,具有稳定,抗干扰性能良好的,广泛应用于各种电子产品中。
 
石英晶振工作原理
石英晶振就是用石英材料做成的石英晶体谐振器,俗称晶振。起产生频率的作用,具有稳定,抗干扰性能良好的,广泛应用于各种电子产品中。
 
石英晶体振荡器(简称晶振)的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化矽的结品体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基木构成大致是:从一块石英晶体上按一一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑胶封装的。
 
影响石英晶体振荡器频率稳定性的因素
首要的影响要素
对于石英晶体振荡器而言,有许多要素影响到系统的频率稳定性,如:老化、噪声、温度、保持电路、可保持性、磁场、湿度、电源电压与轰动。下面介绍某些重要要素:
 
①不稳定要素-时刻
老化与短期是时刻影响频率不稳定性的首要要素。老化是由于振荡器内部变化形成的频率的长期系统性变化。虽然老化影响频率范围只有几PPM,但对于DTV或机顶盒这类需精确频率系统的产品来说特别重要。而短期的不稳定性本质上具有随机性,往往能够定义为噪声。影响老化的要素有很多,如:质量搬运、晶体受到的应力、热膨胀、装置受力、键合单元、晶振的驱动电平以及DC偏置等都会影响到晶振的使用期限。抱负状态下,短期的石英晶体振荡器的输出是完美的正弦波。但是抱负系统中随机噪声或闪耀噪声会导致信号的相位偏移,然后形成频率为了保持2nπ相位条件而发生改变。相位斜率dφ/df与QL成正比,必须保持高值,以确保最高的频率稳定性。为了维持高相位斜率,Cm应当尽可能小。因此,fs与fp之间电抗/频率的斜率越大,则频率稳定性越高。
 
 
石英晶振工作原理和频率稳定性
 
②不稳定要素-温度
不同产品的诉求,对温度的诉求不一样。一般,石英晶体振荡器的温度分为民、企、工、航天等级别,温度范围在-40℃~+150℃,但是随着升至极端温度,额定频率的变化开始增大,有可能达到几十ppm.计算等应用能够承受这一点,但是对于导航、雷达、无线电通信、卫星通信等对准确度与精度要求极高的应用来说,则无法接受这种巨大变化。因此,此类应用需求在系统中增加额外的补偿元件
 
③不稳定要素-可调谐性
对于频率范围要求不高或较宽的频率范围内可调谐性会导致不稳定性。为了完成可调谐性,需求采用滤波器消除多余的频率形式。但是这样会影响到可协调性很难完成更高的频率稳定性,因为负载电抗会受到滤波器中使用的变抗器的杂散电容与电感的影响。
 
④不稳定要素-保持电路
当在晶振中增加外部负载电容器时,电容器与杂散电容的容差会导致实际负载电容违背所需值。负载电容的这种变化也会形成频率改变。其可从下式求出:
 
石英晶振工作原理和频率稳定性

*Cm:晶振动生电容;
*CS:晶振分流电容;
*CL_NOM:负载电容;
*CL:实际电容。
 
晶振的频率稳定性的重要性
所有人都知道一个电子产品的主要的功能,性能都是源自于它的主板PCB,在设计PCB时是很重要的,其次要看选用的电子元件,是否匹配,是否能达到预期的效果。晶振则是电子产品中的必需品,那你可知道选对一个石英晶振是有多重要,频率稳定性是有多重要。下面就简单讲述一下。
 
频率稳定性是衡量振荡器的输出频率在工作过程中由于温度变化而可能发生的变化。如果频率漂移超出了应用程序的预期,定时误差可能会出现。频率稳定性以百万分之一或ppm表示,相对于特定温度范围内的标称频率。
 
振荡器使用在制造过程中以不同角度切割的石英晶振来产生不同的温度响应。普通XO温度稳定性
 
评级包括20ppm,50ppm和100ppm.ppm越低意味着输出频率在给定的温度范围内越稳定。
 
值得注意的是,频率稳定性只是了解振荡器频率变化的一个方面。潜在频率偏差的完整测量称为总稳定性,它是温度下频率稳定性,25°C下初始精度以及特定时间和温度下老化的总和。如图3所示,总稳定性揭示了石英晶体振荡器在其工作寿命期间可能产生的最差频率。
 
石英晶振工作原理和频率稳定性
 
XO可能在温度范围内具有优异的频率稳定性,但这种测量仅与它在室温下提供的标称频率相关。因此,对于某些设备,如SAW振荡器,SAW滤波器初始精度误差可能相当大,必须加以考虑。
 
类似地,晶振经过长时间缓慢老化,这导致输出频率缓慢漂移。一些振荡器供应商规定在25℃下老化仅一年,而更保守的供应商规定在更高温度下老化10年,为长期运行提供了更可靠的保证。
 
老化条件会对振荡器的总体稳定性产生重大影响,有时会使苹果比较困难。当有疑问时,在更严格的条件下,使用具有保证规格的定时装置来提供更多的设计余量会更安全。
 
 
 
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