晶振(xtal)屬于精密頻率元件,可提供穩定、精確的頻率信號。但由于切片工藝、補償方式和電路結構不同,晶振的頻率特性也個不相同,選型時必須考慮三個重要參數:頻率精度、頻率穩定度和長期穩定度。
1. 頻率精度
頻率精度(Frequency Tolerance)即調整頻差,是晶振在常溫環境下(+25℃)的輸出頻率fx和中心標稱頻率f0之間的偏差。
該參數受晶片材料和環境影響較大,一般大小在幾個ppb至±100ppm范圍內。常見晶振的頻率精度如下:
xtal晶體諧振器:50ppm
熱敏晶振(thermistor xtal):±10ppm
VCXO壓控晶振:±20ppm
TCXO溫補晶振:±0.2ppm左右
OCXO恒溫晶振:幾個ppb
例如,泰晶科技的T2520熱敏晶振(xtal)的25°C頻率精度和-30°C ~ +85°C工作溫度范圍的頻率穩定度均達±10ppm,這已經達到了晶振振蕩器(XO)的精度,還可根據用戶需求定制更高精度的產品。
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圖1. 晶振的頻率溫度特性:頻率精度、穩定度及老化性能?
實際應用中,晶振精度有可能受電壓變動有±1ppm的影響,焊接溫度變化有±5ppm的影響,機械振動與沖擊有±3PPM的影響,雜散電容有10~20ppm及以上的影響,工作環境溫度有5~20ppm的影響。因此,選型時需要留10ppm裕量,如需要±30ppm頻率精度時,一般選擇頻率精度為±20PPM的晶振。
2. 頻率穩定度
晶振的頻率穩定度(Frequency Stability)通常指的是溫度穩定度,即溫度頻差,這是衡量晶振的輸出頻率在工作過程中由于溫度變化而可能發生變化的短期穩定性指標。如果頻率漂移超出了應用程序的預期,定時誤差可能會出現。
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在所有晶振中,OCXO恒溫晶振的頻率穩定度最高,可達到ppb級別(10-9),TCXO溫補晶振的穩定度在1ppm以下,普通晶振的穩定度在100ppm以內。而原子鐘的穩定度更高,一般在10-11以上。
對于智能手機、GPS模塊、WIBRO、DMB、轉發器等通信應用,一般要求±1ppm以下的穩定性,這就要采用TCXO類溫補晶振。如惠倫晶體的TC2016溫補晶振采用熱敏電阻進行溫度補償,穩定度可達±0.5 ppm Max.。
3. 長期穩定度
長期穩定度(Frequency Aging)指的是年老化率,一般為±3ppm/年(第一年,常溫25℃條件下),后續趨于穩定。
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圖2. 晶振的頻率穩定度與溫度、電源、負載、老化等因素有關
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例如,惠倫晶體的TC2016溫補晶振(TCXO)首年老化率不超過±1.0 ppm。泰晶科技的T2520熱敏晶振(xtal)首年老化率不超過±1.0 ppm。
晶振經過長時間緩慢老化,會導致輸出頻率緩慢漂移。由于大部分晶振廠家的datasheet只提供了25℃下老化一年的數據,對于涉及到工業類應用,用戶可向供應商索取更高溫度下老化10年的數據,因為晶振參數是可以定制的。
審核編輯:湯梓紅
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