扒一扒晶振频率漂移的原因

　　在现代世界，石英晶体几乎是所有频率控制设备的核心。随着市场需求量快速增长，同时对其性能的要求向高频率和高精度，那么影响到晶振频率的因素有哪些？
　　频率最高可达1500MHZ，高精度至±10PPM
　　01 温度
　　温度在这里是我们列表的首位，因为它是导致频率漂移的最重要原因。不同的晶体切割具有不同的频率-温度特性。图1显示了典型AT-cut晶体谐振器的频率-温度特性（这里，AT、SC或GT代表不同的晶体切割方法）。其中φ表示切割角。可以看出，不同切割角度的晶体具有不同的频率-温度曲线。下面是一些晶体谐振器的温度特性。
　　1）晶体切割一般表现出对温度的立方依赖关系。
　　2）在大多数情况下，可以通过改变晶圆与晶轴的夹角来改变零温度系数点。
　　图1：AT-cut晶体谐振器频温特性
　　02 老化
　　晶体谐振器的频率随工作时间的变化而变化，这种物理现象称为老化。具有代表性的老化如图2所示：
　　图2：晶体谐振器的老化
　　应该注意的是，虽然这个图是单方向的，但情况并非总是如此，随着时间的推移，老化率可以反转。当晶圆片的振动模式为厚度剪切时，如AT切割和SC切割晶体，老化主要是由于：
　　1）热梯度的影响。它会在热平衡后持续几分钟到几小时。图3显示了两个晶体的温度梯度效应和升温特性，每一个晶体都包含一个在6分钟内达到热平衡的烘箱。一个包含AT-cut，另一个包含SC-cut。6分钟后的频率变化来自图3中的热梯度效应。
　　我们可以看到SC-cut比AT-cut有更好的性能。在热平衡之前，我们不需要考虑老化速率，因为晶体只需要3到10分钟，而其他振荡器只需要几秒钟。
　　图3：AT-cut和SC-cut晶体升温特性和热梯度效应
　　2）压力释放的效果。它是上述加热过程的一个函数，将持续3天到3个月。
　　3）晶体极性板质量的增加和减少，这是由于气体的吸收和分解所引起的，并将持续数周至数年。晶体结构的改变是由晶格缺陷引起的，这是一种长期效应。
　　4）在低频石英晶体谐振器中，当振动模式为面剪时，老化速率最低。弯曲振动时时效率较高，延伸振动时时效率最高。当振动模式相同时，较低的频率和较大的极板晶体的老化速率较低。
　　老龄化效应可以分为前期和后期两个时间段。前期老化（1-2个月）有较高的老化率，这个老化率可以达到1×10-7/月（此数字表示频率准确度将会改变1×10-7每月）到1×10-8/月。后期，当晶体运行1-2个月时，老化率可降低到（1~3）×10-9到（1~3）×10-10/月。
　　03 激励电平
　　激励电平有大小之分，一般来讲偏小的激励电平对长稳有利，激励电平太大的时候石英片振动变强，这样会导致振动区域温度升高，从而导致频率的稳定度降低。激励电平过大会使等效电阻增加，容易激起寄生振动，由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移，使频率产生永久性的变化，甚至有时会把石英片振坏。
　　图4：石英晶片
　　在一个精确的晶体谐振器中，振荡器的频率也依赖于晶体电流或驱动电平。方程是:
　　Δf/f≈ki²
　　这里，ⅰ是流过晶体的交流电流水是一个常数，它取决于晶体。Δf/f为振动频率的相对变化量。当驱动电流较大时，老化性能和长期频率稳定性会变差。但当驱动电平过小时，噪声电流可能比晶体电流大，这会导致短期频率稳定性变差。目前，正常的2.5MHz和5MHZ高精度晶体振荡器的驱动电平小于70μA。
　　激励电平的大小直接影响晶体谐振器的性能，一般取70-100uA为佳；用激励功率表示时，一般取1-100uW为佳。电路设计者一定要严格控制晶体谐振器在规定的激励电平下工作，以便充分发挥晶体谐振器的特点。
　　04 负载电容
　　电容性负载的变化会影响频率，晶体振荡器必须与变化的负载匹配，这说明了可用的晶体组件种类繁多。
　　图5：晶体的负载电容和频率的误差的关系图
　　还必须考虑最大驱动功率，如果石英晶体不断暴露在超出预期最大功率的超速驱动条件下，它会迅速老化。
　　甚至将其放置在板上也会影响负载，无论是重新放置晶体本身还是重新布线其他组件。所有这些都是潜在的机械共振源，必须在振荡器电路设计过程中加以考虑和测试。
　　05 电源电压
　　电源电压的变化可能导致振荡器电路的有效电阻发生变化，从而导致频率漂移。常见的解决方案是使用稳压电源，以确保无论设备消耗多少电流，输出电压都将始终保持在电源的额定值。
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