OSC-2無源晶振的特性參數(shù)

引言：在晶振選型時(shí)，除了關(guān)鍵參數(shù)之外，也需要考慮更多的特性與參數(shù)，保證系統(tǒng)超長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，本節(jié)主要介紹有關(guān)晶振的各項(xiàng)關(guān)鍵特性和參數(shù)。（傳送門：Analog series-OSC-1：無源晶振的基礎(chǔ)）

1.晶振的關(guān)鍵參數(shù)和特性

1.晶振的頻率起伏特性

晶振的頻率起伏特性是因石英晶體單元的Q值、振蕩電路的噪音以及溫度補(bǔ)償電路噪音等影響引起的一種微小的頻率變動(dòng)特性，該特性不包括溫度變動(dòng)因素。

2.溫度特性

溫度特性表示因元器件周圍的溫度變化或空氣流動(dòng)等產(chǎn)生的溫度變動(dòng)所引起的頻率的微小變動(dòng)。

3.溫度跟隨特性

表示對(duì)于元器件外部溫度急劇變化的頻率變動(dòng)特性，與上面所說的溫度特性區(qū)分表示。

4.調(diào)整頻差ppm

調(diào)整頻差也叫晶振的精度（誤差）是石英晶振重要的參數(shù)之一，表示晶體頻率會(huì)偏離標(biāo)稱頻率多少，值越小精度越高。常溫25°C基準(zhǔn)溫度下，工作頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率所允許的偏差，包括一定的負(fù)載電容下的晶體頻率公差，加工誤差，調(diào)整頻差(Frequency Tolerance)用頻率變化的最大值和標(biāo)稱頻率的比值來表示，單位是ppm，PPM含義為百萬分之一(part per million 1/10^6)。在產(chǎn)品規(guī)格書中，ppm通常會(huì)用最大值(max)來表示，例如30ppm max，但產(chǎn)品實(shí)際的誤差值會(huì)更小。

常見的晶振精度有±0.5ppm、±1ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±50ppm等等。其中OCXO精度最高，最少可達(dá)到3ppb=0.003ppm。

如果晶振頻偏超過限度，芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)PLL鎖偏導(dǎo)致頻率出錯(cuò)，芯片工作就會(huì)不穩(wěn)定甚至停止工作，連帶的通信也會(huì)異常。

5.溫度頻差ppm

溫度頻差（Frequency Stability vs Temp）表示在特定溫度范圍內(nèi)，工作頻率相對(duì)于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的允許頻率偏離量，單位也是ppm。

6.DLD2

DLD2指的是：不同激勵(lì)電平下的負(fù)載諧振電阻的最大值與最小值的差值，值越小越好。驅(qū)動(dòng)功率的變化會(huì)引起晶體頻率和諧振阻抗的變化，被稱為驅(qū)動(dòng)功率相關(guān)性。

7.驅(qū)動(dòng)功率（激勵(lì)功率）

表2-1：無源晶振的典型參數(shù)示例

驅(qū)動(dòng)功率表征了驅(qū)動(dòng)該晶體需要的典型功率，如圖2-1所示，要求不能超過最大驅(qū)動(dòng)功率，否則長(zhǎng)期工作會(huì)有晶振損壞的風(fēng)險(xiǎn)。如果驅(qū)動(dòng)功率過大可能破壞晶體的內(nèi)部機(jī)理，引起振蕩頻率異常、穩(wěn)定度下降、頻率失真、晶片破損等現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的導(dǎo)致電極受損。如果激勵(lì)功率過低，也會(huì)帶來DLD問題或者不起振，關(guān)于驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算后續(xù)章節(jié)會(huì)提到。

2.怎么計(jì)算頻率誤差

例如3225封裝，標(biāo)稱頻率12MHz，±30ppm，其頻率誤差為±30/100萬*12MHz=±360Hz.

例如標(biāo)稱頻率為10MHz的晶振，-20~+70℃中誤差為±20ppm，其在-20℃～+70℃溫度范圍內(nèi)，溫度誤差范圍：±(10MHz × 20ppm)=±200Hz，那么晶振的頻率為9.999800MHz ~ 10.000200MHz。

3.影響晶振頻率穩(wěn)定度的因素

頻率穩(wěn)定性表示晶振的輸出頻率因溫度變化、頻率老化、電壓變化、輸出負(fù)載變化等外部條件而發(fā)生的變化。我們常說的總頻差就是這些工作和非工作參數(shù)全部結(jié)合起來而引起晶振頻率與標(biāo)稱頻率之間的最大偏差。

頻率穩(wěn)定度（Frequency Stability）通常分為長(zhǎng)期和短期兩種，是用來衡量振蕩頻率保持不變的能力。下面將介紹幾點(diǎn)會(huì)影響頻率穩(wěn)定度的因素：

1.老化 Aging

晶振的頻率隨著工作時(shí)間的變化而變化，物理現(xiàn)象被稱為老化aging。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同產(chǎn)品屬性，設(shè)置不同的溫度和時(shí)間對(duì)晶片進(jìn)行加速老化，使得晶片趨近于穩(wěn)定精度，來提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

極端溫度升高會(huì)導(dǎo)致頻率漂移（Frequency Drift），晶振的頻率隨著工作時(shí)間的定向漂移，物理現(xiàn)象被稱為老化aging。老化被認(rèn)為是“質(zhì)量遷移”和“應(yīng)力馳豫”這兩個(gè)原因產(chǎn)生的。

2.溫度Temperature

不同晶體的切割方式有著不同的頻率溫度特性：音叉Tuning Fork晶振的溫度特性曲線是負(fù)二次方程曲線，AT切的切角為35°15' 是晶體諧振器里最常用的切型，頻率和溫度是三次函數(shù)關(guān)系；SC切切割角度是基于x，y，z基礎(chǔ)坐標(biāo)的雙旋轉(zhuǎn)，切角分別為21.93°和 34.11°。

3.驅(qū)動(dòng)功率 （Drive Level/Level of drive）

驅(qū)動(dòng)功率是晶體在工作時(shí)的功耗，通常以mW和uW來表示。驅(qū)動(dòng)功率過高會(huì)導(dǎo)致晶片振動(dòng)變強(qiáng)，振動(dòng)導(dǎo)致溫度升高，頻率穩(wěn)定度隨之降低，嚴(yán)重時(shí)晶振不穩(wěn)定，晶片會(huì)振裂，加快老化。如果驅(qū)動(dòng)功率偏小，諧振器輸出波形偏弱，長(zhǎng)期可能會(huì)停振，引起芯片停止工作。

4.負(fù)載電容Load Capacity

晶體諧振器必須與變化的負(fù)載匹配，如果晶體兩端的等效電容和標(biāo)稱負(fù)載電容存在差異，晶體輸出的頻率將會(huì)和標(biāo)稱工作頻率產(chǎn)生偏差。

5.電壓變化Voltage Change

有源晶振需要使用干凈穩(wěn)定的電源，電壓變化會(huì)帶動(dòng)電阻變化，輸出電壓需要保持在電源的額定值。