晶振的關鍵參數(shù)和特性

OSC-2無源晶振的特性參數(shù)

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

1.晶振的關鍵參數(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償電路噪音等影響引起的一種微小的頻率變動特性，該特性不包括溫度變動因素。

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等產生的溫度變動所引起的頻率的微小變動。

3.溫度跟隨特性

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

4.調整頻差ppm

調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，表示晶體頻率會偏離標稱頻率多少，值越小精度越高。常溫25°C基準溫度下，工作頻率相對于標稱頻率所允許的偏差，包括一定的負載電容下的晶體頻率公差，加工誤差，調整頻差(Frequency Tolerance)用頻率變化的最大值和標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)。在產品規(guī)格書中，ppm通常會用最大值(max)來表示，例如30ppm max，但產品實際的誤差值會更小。

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，最少可達到3ppb=0.003ppm。

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

5.溫度頻差ppm

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

6.DLD2

DLD2指的是：不同激勵電平下的負載諧振電阻的最大值與最小值的差值，值越小越好。驅動功率的變化會引起晶體頻率和諧振阻抗的變化，被稱為驅動功率相關性。

7.驅動功率（激勵功率）

表2-1：無源晶振的典型參數(shù)示例

驅動功率表征了驅動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動功率，否則長期工作會有晶振損壞的風險。如果驅動功率過大可能破壞晶體的內部機理，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，更為嚴重的導致電極受損。如果激勵功率過低，也會帶來DLD問題或者不起振，關于驅動功率的計算后續(xù)章節(jié)會提到。

2.怎么計算頻率誤差

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

例如標稱頻率為10MHz的晶振，-20~+70℃中誤差為±20ppm，其在-20℃～+70℃溫度范圍內，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)全部結合起來而引起晶振頻率與標稱頻率之間的最大偏差。

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

1.老化 Aging

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

極端溫度升高會導致頻率漂移（Frequency Drift），晶振的頻率隨著工作時間的定向漂移，物理現(xiàn)象被稱為老化aging。老化被認為是“質量遷移”和“應力馳豫”這兩個原因產生的。

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)關系；SC切切割角度是基于x，y，z基礎坐標的雙旋轉，切角分別為21.93°和 34.11°。

3.驅動功率 （Drive Level/Level of drive）

驅動功率是晶體在工作時的功耗，通常以mW和uW來表示。驅動功率過高會導致晶片振動變強，振動導致溫度升高，頻率穩(wěn)定度隨之降低，嚴重時晶振不穩(wěn)定，晶片會振裂，加快老化。如果驅動功率偏小，諧振器輸出波形偏弱，長期可能會停振，引起芯片停止工作。

4.負載電容Load Capacity

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

5.電壓變化Voltage Change

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