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您当前所在位置:元器猫> 晶振百科> 晶体晶振频率稳定性受到哪些方面地因素影响?
  • 晶体晶振频率稳定性受到哪些方面地因素影响?
  • 阅读量:2014

      石英晶体谐振器是稳定和选择频率的重要电子元件。所谓频率稳定,是指当各种外界条件变化时,振荡器的实际工作频率与规定频率的偏差较小,而稳定的振荡频率能使某些电路正确地处理信号并准确输出。

  一、影响因素

  任何晶体晶振,频率不稳定是绝对的,程度不同而已,一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图1所示

 

  (图1) 晶振输出频率随时间变化的示意图

  曲线1是用0.1秒测量一次的情况,表现了晶振的短稳;曲线3是用100秒测量一次的情况,表现了晶振的漂移;曲线4是用1天一次测量的情况,表现了晶振的老化。

  1. 温度特性

  石英晶体谐振器是根据它的正逆压电效应制造出来的一种谐振器,高达上百万的Q值,极高的频率稳定度是LC振荡电路和RC振荡电路难于匹敌的。然后,环境温度变化影响着晶体振荡器的输出频率值。石英谐振器在温度变化时,其晶格发生形变导致频率变化。

  石英晶体不同切型的频率温度特性是不同的。下面分析AT、音叉、SC切型。

  1) AT切型

  AT切石英晶体频率和温度关系如下:

  公式中:T为温度;T0位参考温度;f0为参考温度点的频率;A0、B0和C0分别为晶体谐振器的1次、2次和3次温度系数。

  因晶体的各项异性,不同切割角度的AT切型晶体其频率特性是有很大的差异。

  2) 音叉切型

  Δf/f = k(T - To)2 + fo

  其中,f是晶体标称频率,k是曲率常数,T是温度,To转折温度,fo是转折温度下的相对频偏。从上式可以看出:只有三个变量控制着每个晶体的温度特性,这三个参数是:曲率常数、转折温度、转折温度下的相对频偏。曲率常数对全温范围内频偏的抛物线外形影响较大,但这个常数本身的偏差很小。不同的转折温度可以将抛物线左右平移,不同的转折温度下的相对频偏可以将抛物线上下平移。

  3) SC切型

  SC切型低温变化很大,但高温变化比较平缓,而且温度转折点较高,利用此特性,SC切型一般用于制作恒温晶振。

  2. 老化

  老化效应是石英晶体固有的物理现象,其谐振频率随时间推移缓慢减小或增加的变化过程,称为石英晶体的老化。晶体在使用初期,老化主要受元件内部应力释放影响,频率向升高方向变化,而后期受电极膜吸附的影响,其频率按对数关系向降低方向变化,随着时间增加变化量逐渐降低。老化的指标主要由日老化率和年老化率,对于普通晶振来说,一般要求年老化率,但年老化率没有办法连续测试一年,所以目前普遍采用等效老化的方法:提高存储温度,缩短放置时间。实验表明,在85条件下,将晶振放置30天,其频率变化相当或超过正常室温下放置一年的老化量。

  石英晶体晶振的老化主要源于下述方面:

  晶片表面附着物的脱落。

  研磨过程中对石英晶片造成的应力。

  上架过程形成的支架与晶片应力变化。

  镀膜过程中形成的电极膜与晶片间的应力变化。

  石英晶体表面吸附的气体以及由于漏气造成的电极表面的改变。

  老化是工厂整个工艺水平的集中体现,要减小老化,从下述几个方面着手:

  保证石英晶片的光洁度,包括其边缘的光洁度。

  应采用深腐蚀工艺,确保破坏层被全部清除。

  确保晶片的清洁度,要对晶片进行多遍仔细清洗,对谐振件和外壳也要清洗。

  适当减薄电极膜的厚度,保证镀膜公差,尽量减小微调量。

  保证镀膜和微调真空度,镀膜前较好进行离子轰击清洗。镀膜过程中,晶片的温度,溅射的速度均对电极质量有影响。

  镀膜前后,上架点胶后,微调后应该进行高温烘烤,以消除应力的影响,烘烤老化较好在可抽真空充氮气的烤箱里进行。

  导电胶的挥发物也会影响老化,点胶后至少应有一遍清洗。

  保证高密封性和低漏气率。

  客户使用状态,特别是激励功率的大小也会影响老化,激励功率大,则老化加大,在加工过程中,应尽量减小电极在空气里的暴露时间,防止晶片的污染。

  3. 短稳:

  短期稳定性,观察时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。晶振的输出频率受到内部电路的影响(晶体的Q值、元器件的噪音、电路的稳定性、工作状态等)而产生频谱很宽的不稳定。测量一连串的频率值后,用阿伦方程计算。相位噪声&JITTER为同一概念,只不过测量及表示方法不同。

 



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