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在現(xiàn)代世界,石英晶體幾乎是所有頻率控制設(shè)備的中心。隨著市場(chǎng)需求量快速增長(zhǎng),同時(shí)對(duì)其性能的要求向高頻率和高精度,那么影響到晶振頻率的因素有哪些?
01
溫度
溫度在這里是我們列表的前置位,因?yàn)樗菍?dǎo)致頻率漂移的比較重要原因。不同的晶體切割具有不同的頻率-溫度特性。圖1顯示了典型AT-cut晶體諧振器的頻率-溫度特性(這里,AT、SC或GT表示不同的晶體切割方法)。其中φ表示切割角??梢钥闯?,不同切割角度的晶體具有不同的頻率-溫度曲線。下面是一些晶體諧振器的溫度特性。
1)晶體切割一般表現(xiàn)出對(duì)溫度的立方依賴關(guān)系。
2)在大多數(shù)情況下,可以通過(guò)改變晶圓與晶軸的夾角來(lái)改變零溫度系數(shù)點(diǎn)。
02
老化
晶體諧振器的頻率隨工作時(shí)間的變化而變化,這種物理現(xiàn)象稱為老化。具有表示性的老化如圖2所示:
應(yīng)該注意的是,雖然這個(gè)圖是單方向的,但情況并非總是如此,隨著時(shí)間的推移,老化率可以反轉(zhuǎn)。當(dāng)晶圓片的振動(dòng)模式為厚度剪切時(shí),如AT切割和SC切割晶體,老化主要是由于:
1)熱梯度的影響。它會(huì)在熱平衡后持續(xù)幾分鐘到幾小時(shí)。圖3顯示了兩個(gè)晶體的溫度梯度效應(yīng)和升溫特性,每一個(gè)晶體都包含一個(gè)在6分鐘內(nèi)達(dá)到熱平衡的烘箱。一個(gè)包含AT-cut,另一個(gè)包含SC-cut。6分鐘后的頻率變化來(lái)自圖3中的熱梯度效應(yīng)。
我們可以看到SC-cut比AT-cut有更好的性能。在熱平衡之前,我們不需要考慮老化速率,因?yàn)榫w只需要3到10分鐘,而其他振蕩器只需要幾秒鐘。
2)壓力釋放的效果。它是上述加熱過(guò)程的一個(gè)函數(shù),將持續(xù)3天到3個(gè)月。
3)晶體極性板質(zhì)量的增加和減少,這是由于氣體的吸收和分解所引起的,并將持續(xù)數(shù)周至數(shù)年。晶體結(jié)構(gòu)的改變是由晶格缺陷引起的,這是一種長(zhǎng)期效應(yīng)。
4)在低頻石英晶體諧振器中,當(dāng)振動(dòng)模式為面剪時(shí),老化速率比較低。彎曲振動(dòng)時(shí)時(shí)效率較高,延伸振動(dòng)時(shí)時(shí)效率比較高。當(dāng)振動(dòng)模式相同時(shí),較低的頻率和較大的極板晶體的老化速率較低。
老齡化效應(yīng)可以分為前期和后期兩個(gè)時(shí)間段。前期老化(1-2個(gè)月)有較高的老化率,這個(gè)老化率可以達(dá)到1×10-7/月(此數(shù)字表示頻率準(zhǔn)確度將會(huì)改變1×10-7每月)到1×10-8/月。后期,當(dāng)晶體運(yùn)行1-2個(gè)月時(shí),老化率可降低到(1~3)×10-9到(1~3)×10-10/月。
03
激勵(lì)電平
在一個(gè)精確的晶體諧振器中,振蕩器的頻率也依賴于晶體電流或驅(qū)動(dòng)電平。方程是:
Δf/f≈ki2
這里,ⅰ是流過(guò)晶體的交流電流水是一個(gè)常數(shù),它取決于晶體。Δf/f為振動(dòng)頻率的相對(duì)變化量。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí),老化性能和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性會(huì)變差。但當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平過(guò)小時(shí),噪聲電流可能比晶體電流大,這會(huì)導(dǎo)致短期頻率穩(wěn)定性變差。目前,正常的2.5MHz和5MHZ高精度晶體振蕩器的驅(qū)動(dòng)電平小于70μA。
激勵(lì)電平的大小直接影響晶體諧振器的性能,一般取70-100uA為佳;用激勵(lì)功率表示時(shí),一般取1-100uW為佳。電路設(shè)計(jì)者一定要嚴(yán)格控制晶體諧振器在規(guī)定的激勵(lì)電平下工作,以便充分發(fā)揮晶體諧振器的特點(diǎn)。
04
負(fù)載電容
電容性負(fù)載的變化會(huì)影響頻率,晶體振蕩器必須與變化的負(fù)載匹配,這說(shuō)明了可用的晶體組件種類繁多。
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