模擬工程師的困擾:晶振匹配和溫度漂移

很多工程師，在電路中使用晶振時，經(jīng)常會碰到這樣的煩惱，一是晶振在電路中匹配不理想，影響使用效果;二是晶振的溫度漂移太大，甚至影響產(chǎn)品的性能。

　　目前在電子產(chǎn)品日新月異的今天，成本問題肯定是生產(chǎn)商考慮的重要因素，同樣對晶振的運用也會考慮到成本因素，因此工程師在設(shè)計電路時，因有源晶體振蕩器(俗稱鐘振)比普通無源諧振器價格高出5~10倍，從而更多地選擇使用無源的晶體運用到電路中;只有在一些高端產(chǎn)品如工控類、高速通信類產(chǎn)品才比較青睞使用有源晶振，因此就產(chǎn)生了以上常見的問題。究其原因，無源晶振的使用效果不僅取決于晶振本身的指標(biāo)，還與振蕩電路的設(shè)計匹配關(guān)聯(lián)性極大，也常常出現(xiàn)匹配不理想的狀況。有源晶振是直接將晶體與鐘振IC"捆 綁"封裝調(diào)試后，提供給用戶，避免了客戶端因晶體負載匹配不當(dāng)，造成電路頻率漂移的麻煩，下面來淺談有源晶振(鐘振)是如何做到避免以上不良的。

　　石英晶體俗稱水晶，成分為二氧化硅，具有"壓電效應(yīng)"和極高的品質(zhì)因數(shù)，被應(yīng)用于各種振蕩電路，其頻率穩(wěn)定度一般可以達到10-6~10-8數(shù)量級，甚至更高。然而其頻率精度受到石英晶體自身所固有的兩個特性影響：頻率牽引量(TS)和溫漂。頻率牽引量是描述石英晶體頻率精度隨著負載電容變化而變化的物理量，單位為PPM/PF.溫漂是描述晶體頻率精度隨著溫度的變化而變化的物理量，為石英晶體所固有的特性，其頻率溫度曲線與石英晶片的切型和切角有關(guān)。從用戶使用角度講，用戶沒法改變晶片的切角切型，卻很容易改變振蕩回流的負載，也正因此原因，客戶在使用晶體諧振器時，容易出現(xiàn)因負載不匹配造成的頻率漂移現(xiàn)象。

　　鐘振之所具有高精度和高穩(wěn)定度，原因在于鐘振內(nèi)部使用了專業(yè)振蕩IC,已經(jīng)在未對鐘振封裝前，通過對水晶片上的電極噴銀或者刻蝕等方式改變晶片厚度對晶體頻率進行微調(diào)，從而使振蕩電路輸出想要的目標(biāo)頻率，避免了因負載不匹配造成的頻率漂移，提高了振蕩電路的精度。

　　上文提到石英晶體還有一個重要的特性--溫漂。所有的石英晶體材料做成的頻率器件，均有一定的溫漂。溫漂成為影響石英晶體諧振器及石英晶體振蕩器頻率精度的重要因素。溫補鐘振(TCXO)，恒溫鐘振(OCXO)，都是針對晶體的頻率溫度特性做相應(yīng)的補償，頻率精度TCXO小于±2.5ppm,OCXO小于±10ppb(1ppb=10-3ppm)，甚至更高。溫度補償，成為彌補石英晶體溫漂的重要手段。然而，市面上針對KHZ級別的溫補鐘振少之又少，其原因，我可以從晶體的切型方面分析。

　　石英晶片的切型大致可以分為AT切、BT切、CT切、DT切等，不同的切型，所對應(yīng)的頻率溫度曲線不一樣。下面兩幅圖的分別為音叉32.768KHZ晶體和AT切MHZ晶體的頻率溫度曲線。

　　AT切32.768KHZ鐘振來解決難題

　　音叉32.768KHZ晶體頻率溫度曲線為二次拋物線，隨著工作溫度偏離常溫25℃越遠，溫漂也隨之變大，-10℃~60℃其溫漂達到將近50ppm,如按工業(yè)級-40℃~85℃計算，溫漂高達151ppm,難以適應(yīng)工業(yè)級工作溫度范圍的電子產(chǎn)品，對其進行溫度補償也較為困難，因此，市面上針對32.768KHZ的TCXO很少，且價格極為昂貴。對于一般的消費類電子行業(yè)，如需工業(yè)級-40℃~85℃，且溫度頻差控制在±30ppm以內(nèi)，使用普通音叉型32.768KHZ晶體，是無法滿足要求的。然而，如果能將晶片切型改為AT切的切型，那么工業(yè)級溫度頻差控制在±30ppm以內(nèi)將不成問題。下面來了解一下AT切 32.768KHZ鐘振是如何實現(xiàn)的。

　　AT切晶體頻率溫度曲線為三次曲線，呈躺著的"S"型曲線，隨著溫度的變化，溫漂呈"S"型軌跡變化，大致在-10℃和+60℃時，有兩個"拐點",即溫漂又會反方向拐回來。因此，只要控制好晶片的切角在一定的公差范圍內(nèi)，那么保證兩個拐點溫漂在-40℃~85℃時不超過±30ppm并不是一件難事。然而，AT切晶體只針對MHZ頻率的晶體，如何轉(zhuǎn)換成32.768KHZ頻率?鐘振32.768KHZ通過分頻方式，便可以實現(xiàn)。如采用AT切16.777216MHZ晶體，通過512分頻，那么就可以得到想要的32.768KHZ頻率。鐘振實現(xiàn)對頻率的分頻并不困難，都集成在振蕩IC內(nèi)部。因此，使用AT切MHZ 分頻實現(xiàn)的32.768KHZ鐘振，在頻率溫度特性上，有很大的改良，在沒有進行溫度補償?shù)臅r候，-40℃~85℃條件下，溫度頻差保持在±30ppm甚至±20ppm都是可以實現(xiàn)的。

　　以上提到鐘振的高精度和高穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于鐘振減少繁瑣的晶體負載匹配過程，且使用了專業(yè)的振蕩IC,提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。32.768KHZ 鐘振，采用AT切MHZ晶片通過分頻方式，大大改良了產(chǎn)品的溫度頻差特性。然而，不得不指出，采用MHZ分頻做出的32.768KHZ在功耗上面會略比使用KHZ最為振蕩源的功耗會略大，一般工作輸入電流0.5mA (3V)，靜