独家解析晶振精度以及老化的重要性

对于石英晶振这种使用在电子产品上的频率控制元器件来说,一般有很多指标来共同决定它的性能,一般情况下,大部分人关注的都只是晶振产品的精度,也就是频率稳定度,相比无源晶振,OSC晶振(有源晶振)精度更高,但是在有源晶振系列中,所有类别的产品的精度也有高有底,故性能也有好或者更好;除了精度之外,晶振的老化也是重点关注的问题,因为这直接影响到晶振的使用寿命.

目前石英晶体和石英晶体振荡器制造技术已经非常成熟了,但尽管如此很多客户在使用晶振时还会出现很多疑问,也有很多专业技术性的问题得不到有效解决,像晶振的老化以及频率稳定性如何理解?康华尔电子针对晶振的老化以及频率稳定度整理了一份专业解答,希望可以帮助到大家.

我们经常说到的石英晶振“老化”是什么意思?

答:老化是晶体随时间变化的频率.老龄化可以是正向或负向.老龄化影响有助于晶体所用振荡器的整体频率漂移.老化的原因有多种：应力消除在石英晶振的安装结构,内部污染,吸收水分和石英材料的变化.一些这些条件可能由于石英晶振暴露于冲击和振动水平,或工作温度高于此而发生建议的限制,或由于焊接或玻璃与金属密封件劣化导致的气密性损失.颗粒污染,它附着在晶体晶片上,会导致晶体频率的负向偏移.

晶体质量或电极损失材料通常表现出晶体频率的正向变化.为了减少晶体的老化,需要使用该单元在超洁净的环境中制造,并密封在密封包装中.晶体可以在一定程度上“预老化”,尽量减少衰老的影响.因为老化特性倾向于遵循对数曲线,大部分是晶体的老化将在其生命的第一年发生.通过适当的处理,可以使贴片晶振具有±0.5ppm的老化特性至177,每年1ppm的范围.

为什么晶振晶体具有频率容差和稳定性,而振荡器仅指定为稳定性要求?

答:这个问题的答案有点像“specmanship”问题.通常假设某些晶体被使用振荡器电路的类型.用户将知道该石英晶体振荡器的总稳定性加上老化需要超出期望值工作温度.例如,如果要求是100ppm最大总允许频率偏差,包括老化,在0℃到70℃的温度范围内,他可以订购一种在室温(25℃)下具有50ppm容差的晶体在工作温度下的稳定性为50ppm.在这些情况下,温度稳定性参考的是频率在室温下.

对于晶体振荡器,最终用户通常只关心总体稳定性,包括工作温度.在这种情况下,他可能要求振荡器在0℃到70℃的温度范围内需要100ppm的稳定性,包括老化,如MHO+13TAD.在实际的制造过程中,振荡器的构造与上述晶体的构造大致相同.在产品设计中考虑了振荡器电路效应的变化.内部使用的贴片晶振,进口晶体振荡器在25°C时的初始容差为50ppm.该晶体设计为在特定稳定性(50ppm)下运行超过工作温度.安装在振荡器中时,总稳定性总和在100ppm以内规范.

那么老化和精度高低到底会对晶振产生什么样的影响呢?

晶振老化是由应力释放,生产的时候有污染物,结构缺陷等造成的,对晶振的性能,使用寿命等都有极大影响,一般在出厂前都会经过预老化处理,但是石英晶体谐振器和有源晶振的处理方式不同,石英晶体谐振器是进行高温老化三天,而有源就是3天加电老化测试,还要在测7天,可见工艺相当复杂.而石英晶振的精度对晶振的影响更大,往往在手机,雷达,航空航天,卫星通信等对精度要求较高的产品上如果精度不达标是无法保证设备正常工作的,可见一个稳定有效的传输信号对于电子产品来说相当重要,所以精度精度是直接影响晶振功能特性的指标.