模擬工程師的困擾:晶振匹配和溫度漂移

2020-12-08 電子產品世界

很多工程師，在電路中使用晶振時，經常會碰到這樣的煩惱，一是晶振在電路中匹配不理想，影響使用效果;二是晶振的溫度漂移太大，甚至影響產品的性能。

　　目前在電子產品日新月異的今天，成本問題肯定是生產商考慮的重要因素，同樣對晶振的運用也會考慮到成本因素，因此工程師在設計電路時，因有源晶體振蕩器(俗稱鍾振)比普通無源諧振器價格高出5~10倍，從而更多地選擇使用無源的晶體運用到電路中;只有在一些高端產品如工控類、高速通信類產品才比較青睞使用有源晶振，因此就產生了以上常見的問題。究其原因，無源晶振的使用效果不僅取決於晶振本身的指標，還與振蕩電路的設計匹配關聯性極大，也常常出現匹配不理想的狀況。有源晶振是直接將晶體與鍾振IC"捆 綁"封裝調試後，提供給用戶，避免了客戶端因晶體負載匹配不當，造成電路頻率漂移的麻煩，下面來淺談有源晶振(鍾振)是如何做到避免以上不良的。

　　石英晶體俗稱水晶，成分為二氧化矽，具有"壓電效應"和極高的品質因數，被應用於各種振蕩電路，其頻率穩定度一般可以達到10-6~10-8數量級，甚至更高。然而其頻率精度受到石英晶體自身所固有的兩個特性影響：頻率牽引量(TS)和溫漂。頻率牽引量是描述石英晶體頻率精度隨著負載電容變化而變化的物理量，單位為PPM/PF.溫漂是描述晶體頻率精度隨著溫度的變化而變化的物理量，為石英晶體所固有的特性，其頻率溫度曲線與石英晶片的切型和切角有關。從用戶使用角度講，用戶沒法改變晶片的切角切型，卻很容易改變振蕩回流的負載，也正因此原因，客戶在使用晶體諧振器時，容易出現因負載不匹配造成的頻率漂移現象。

　　鍾振之所具有高精度和高穩定度，原因在於鍾振內部使用了專業振蕩IC,已經在未對鍾振封裝前，通過對水晶片上的電極噴銀或者刻蝕等方式改變晶片厚度對晶體頻率進行微調，從而使振蕩電路輸出想要的目標頻率，避免了因負載不匹配造成的頻率漂移，提高了振蕩電路的精度。

　　上文提到石英晶體還有一個重要的特性--溫漂。所有的石英晶體材料做成的頻率器件，均有一定的溫漂。溫漂成為影響石英晶體諧振器及石英晶體振蕩器頻率精度的重要因素。溫補鍾振(TCXO)，恆溫鍾振(OCXO)，都是針對晶體的頻率溫度特性做相應的補償，頻率精度TCXO小於±2.5ppm,OCXO小於±10ppb(1ppb=10-3ppm)，甚至更高。溫度補償，成為彌補石英晶體溫漂的重要手段。然而，市面上針對KHZ級別的溫補鍾振少之又少，其原因，我可以從晶體的切型方面分析。

　　石英晶片的切型大致可以分為AT切、BT切、CT切、DT切等，不同的切型，所對應的頻率溫度曲線不一樣。下面兩幅圖的分別為音叉32.768KHZ晶體和AT切MHZ晶體的頻率溫度曲線。

　　

　　AT切32.768KHZ鍾振來解決難題

　　音叉32.768KHZ晶體頻率溫度曲線為二次拋物線，隨著工作溫度偏離常溫25℃越遠，溫漂也隨之變大，-10℃~60℃其溫漂達到將近50ppm,如按工業級-40℃~85℃計算，溫漂高達151ppm,難以適應工業級工作溫度範圍的電子產品，對其進行溫度補償也較為困難，因此，市面上針對32.768KHZ的TCXO很少，且價格極為昂貴。對於一般的消費類電子行業，如需工業級-40℃~85℃，且溫度頻差控制在±30ppm以內，使用普通音叉型32.768KHZ晶體，是無法滿足要求的。然而，如果能將晶片切型改為AT切的切型，那麼工業級溫度頻差控制在±30ppm以內將不成問題。下面來了解一下AT切 32.768KHZ鍾振是如何實現的。

　　AT切晶體頻率溫度曲線為三次曲線，呈躺著的"S"型曲線，隨著溫度的變化，溫漂呈"S"型軌跡變化，大致在-10℃和+60℃時，有兩個"拐點",即溫漂又會反方向拐回來。因此，只要控制好晶片的切角在一定的公差範圍內，那麼保證兩個拐點溫漂在-40℃~85℃時不超過±30ppm並不是一件難事。然而，AT切晶體只針對MHZ頻率的晶體，如何轉換成32.768KHZ頻率?鍾振32.768KHZ通過分頻方式，便可以實現。如採用AT切16.777216MHZ晶體，通過512分頻，那麼就可以得到想要的32.768KHZ頻率。鍾振實現對頻率的分頻並不困難，都集成在振蕩IC內部。因此，使用AT切MHZ 分頻實現的32.768KHZ鍾振，在頻率溫度特性上，有很大的改良，在沒有進行溫度補償的時候，-40℃~85℃條件下，溫度頻差保持在±30ppm甚至±20ppm都是可以實現的。

　　以上提到鍾振的高精度和高穩定性，關鍵在於鍾振減少繁瑣的晶體負載匹配過程，且使用了專業的振蕩IC,提高了產品的穩定性。32.768KHZ 鍾振，採用AT切MHZ晶片通過分頻方式，大大改良了產品的溫度頻差特性。然而，不得不指出，採用MHZ分頻做出的32.768KHZ在功耗上面會略比使用KHZ最為振蕩源的功耗會略大，一般工作輸入電流0.5mA (3V)，靜

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