教你如何辨別及正確選型到高質(zhì)量高準(zhǔn)確度的石英晶振
來源：http://m.cbjur26.cn 作者：康華爾 2018年04月27
所謂晶振是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片），石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振，而在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。晶振被使用在各種電子產(chǎn)品中，不同的產(chǎn)品使用不同性能的石英晶振，問題來了，如何能選購具備高品質(zhì)的晶振產(chǎn)品呢，又該如何選擇？
關(guān)于晶振的質(zhì)量與選擇
1．晶振的作用是產(chǎn)生時鐘信號，晶體諧振器與其它器件共同組成晶體振蕩器。
2．晶體諧振器，要達到穩(wěn)定性好，要求串聯(lián)諧振電阻既要小又要一致性好，同時激勵功率變化帶來的阻抗變量越小，晶體的諧振點容易一致，這樣外圍電路調(diào)試比較容易，使產(chǎn)品更穩(wěn)定
3．根據(jù)經(jīng)驗及晶體本身的特性總結(jié)出：
第一，在使用過程中，外圍匹配電容（包括雜散電容）愈接近晶體標(biāo)稱電容，電路形成的振蕩頻率愈接近標(biāo)稱頻率。電路的穩(wěn)定性由晶體本身和外圍電路共同決定，最佳電路應(yīng)讓工作頻率高與標(biāo)準(zhǔn)頻率8PPM左右，因為頻率每年都要下降3PPM左右即年老化率，這樣才能保證電路中振蕩頻率在5年內(nèi)準(zhǔn)確度很高；
第二，晶體在使用中還要具有一定的溫度穩(wěn)定性和抗震性及可焊性，如何實現(xiàn)？1）提高晶片加工精度，降低晶體封閉殼中氮氣的露點，通過高低溫測試試驗；2）生產(chǎn)上，用優(yōu)質(zhì)膠，點勻和及時烤膠，檢查剔除有崩邊的晶片，通過跌落和機械振動測試（100-20000G）試驗,提高包裝保護；3）同時增加240±10℃和5S條件下的耐高溫測試。
4．石英晶體振蕩器分直插（DIP-14,DIP-8）和貼片晶振。直插式的一般為非三態(tài)線路，有需求可選三態(tài)規(guī)格，SMD式的為三態(tài)線路輸出。在使用中DIP系列1#角在無特殊說明時為斷開的，靜電對DIP破壞性較小。SMD系列1#角內(nèi)部相連，外接時需斷開，靜電對其破壞最大，容易擊穿IC，須作靜電保護；另外，SMD系列晶振在焊接過程中不要溫度過高，時間過長，一般控制在260℃±5℃，少于5秒。還應(yīng)注意SMD晶振兩側(cè)有的會有DLD測試線，焊接時不能與任意焊點相連。晶振在使用中電壓分5V，3.3V，1.8V等不能兼容，否則會不穩(wěn)定。
5．隨著晶振的被廣泛應(yīng)用到各種高端設(shè)備中，對其要求也越來越高，壓控晶體振蕩器(VCXO),溫補振蕩器（TCXO）及恒溫晶體振蕩器（OCXO）的需求逐步上升。VCXO是可以利用電壓變化來調(diào)整輸出頻率。TCXO是包含一個溫度感應(yīng)電路，在溫度發(fā)生變化是調(diào)整輸出頻率，是輸出的頻率隨溫度變化的偏差降低了，從而使其在一定的溫度范圍內(nèi)保持較高的頻率穩(wěn)定度，一般精度要求在0-3PPM之內(nèi)的做成這種。OCXO具有更高的穩(wěn)定性，而且有更低的相位噪聲，精度更高，它是通過內(nèi)部的恒溫槽維持晶體溫度的穩(wěn)定。
衡量頻率時間標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)參數(shù)
1.頻率要穩(wěn)定，不隨溫度等環(huán)境因素而變化。這個要求是首位的、必然的。即便溫度補償?shù)木w振蕩器，在常溫范圍內(nèi)（比如攝氏10度到35度）也有大約0.5ppm到2ppm的誤差，做成鐘表就相當(dāng)于每年誤差30秒左右?，F(xiàn)在有些高精度的電子手表，年差在10秒之內(nèi)，相當(dāng)于0.3ppm，這是很不容易的高技術(shù)。為了追求更高的溫度穩(wěn)定性，恒溫晶振應(yīng)運而生。由于把內(nèi)部的晶體包括振蕩電路等都密封在一個溫度相對恒定的環(huán)境下，因此受外界溫度的影響大大減少，在室溫下可以做到1ppb到10ppb的量級。除了溫度以外，頻率標(biāo)準(zhǔn)也不應(yīng)該隨大氣壓、濕度等條件而變化，盡管這些條件與溫度比較起來占次要地位。
2.頻率要穩(wěn)定，不隨時間而變化。這實際上就是標(biāo)準(zhǔn)的老化問題。頻率盡管很準(zhǔn)確也不隨溫度變化，但時間一長就變化了那也不行。因此老化率是另外一個重要指標(biāo)。短期的老化率比較一天的變化，成為日老化率。中期的看月老化率，長期的看年老化率甚至看更長期的。
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3.短期頻率要穩(wěn)定。短期不穩(wěn)定的石英晶振表現(xiàn)在不同時間的頻率是不一樣的。最常用的衡量間隔是1秒，稱為秒穩(wěn)，也就是連續(xù)以1秒為間隔測量相鄰兩次采樣頻率的變動，然后進行方均根的運算，得到所謂阿倫方差。一般好一些的恒溫晶振這個變動不會超過0.1ppb，這已經(jīng)超出絕大多數(shù)9位頻率計的測量下限。但普通溫補晶振的短期穩(wěn)定性都不好，甚至達到10ppb以上，大多數(shù)原因是里面的補償網(wǎng)絡(luò)的熱噪聲引起的。
有一個笑話，某人用過HP/Agilent53132A這個高檔頻率計后說不好，原因就是最后幾位總是跳動。這正像高靈敏的收音機在沒有電臺的情況下噪音非常大的現(xiàn)象有同工異曲之處，你能說這樣的收音機不好嗎？最后幾位數(shù)字的跳動主要是因為其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)是個很簡單的溫補晶振，再加上被測量的信號短期穩(wěn)定度也不好造成的。作為標(biāo)準(zhǔn)，必須自己短期也非常穩(wěn)定，才能在測量的時候讓最后的顯示位也不跳動。
4.準(zhǔn)確度高。時間標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度就是說頻率實際值與真值的偏離程度。很多標(biāo)準(zhǔn)是可以微調(diào)的，但要注意的是，準(zhǔn)確度必須以穩(wěn)定度為基礎(chǔ)，沒有穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)的再好也是暫時的，因此，不要片面的追求準(zhǔn)確度而忽略了更重要的穩(wěn)定度。
5.其它。比如輸出信號幅度波形好、體積小、功耗低、壽命長、工作環(huán)境寬等。這些對于頻率標(biāo)準(zhǔn)來講并不很重要，最重要的就是上面的三點或四點.
1．晶振的作用是產(chǎn)生時鐘信號，晶體諧振器與其它器件共同組成晶體振蕩器。
2．晶體諧振器，要達到穩(wěn)定性好，要求串聯(lián)諧振電阻既要小又要一致性好，同時激勵功率變化帶來的阻抗變量越小，晶體的諧振點容易一致，這樣外圍電路調(diào)試比較容易，使產(chǎn)品更穩(wěn)定
3．根據(jù)經(jīng)驗及晶體本身的特性總結(jié)出：
第一，在使用過程中，外圍匹配電容（包括雜散電容）愈接近晶體標(biāo)稱電容，電路形成的振蕩頻率愈接近標(biāo)稱頻率。電路的穩(wěn)定性由晶體本身和外圍電路共同決定，最佳電路應(yīng)讓工作頻率高與標(biāo)準(zhǔn)頻率8PPM左右，因為頻率每年都要下降3PPM左右即年老化率，這樣才能保證電路中振蕩頻率在5年內(nèi)準(zhǔn)確度很高；
第二，晶體在使用中還要具有一定的溫度穩(wěn)定性和抗震性及可焊性，如何實現(xiàn)？1）提高晶片加工精度，降低晶體封閉殼中氮氣的露點，通過高低溫測試試驗；2）生產(chǎn)上，用優(yōu)質(zhì)膠，點勻和及時烤膠，檢查剔除有崩邊的晶片，通過跌落和機械振動測試（100-20000G）試驗,提高包裝保護；3）同時增加240±10℃和5S條件下的耐高溫測試。
4．石英晶體振蕩器分直插（DIP-14,DIP-8）和貼片晶振。直插式的一般為非三態(tài)線路，有需求可選三態(tài)規(guī)格，SMD式的為三態(tài)線路輸出。在使用中DIP系列1#角在無特殊說明時為斷開的，靜電對DIP破壞性較小。SMD系列1#角內(nèi)部相連，外接時需斷開，靜電對其破壞最大，容易擊穿IC，須作靜電保護；另外，SMD系列晶振在焊接過程中不要溫度過高，時間過長，一般控制在260℃±5℃，少于5秒。還應(yīng)注意SMD晶振兩側(cè)有的會有DLD測試線，焊接時不能與任意焊點相連。晶振在使用中電壓分5V，3.3V，1.8V等不能兼容，否則會不穩(wěn)定。
5．隨著晶振的被廣泛應(yīng)用到各種高端設(shè)備中，對其要求也越來越高，壓控晶體振蕩器(VCXO),溫補振蕩器（TCXO）及恒溫晶體振蕩器（OCXO）的需求逐步上升。VCXO是可以利用電壓變化來調(diào)整輸出頻率。TCXO是包含一個溫度感應(yīng)電路，在溫度發(fā)生變化是調(diào)整輸出頻率，是輸出的頻率隨溫度變化的偏差降低了，從而使其在一定的溫度范圍內(nèi)保持較高的頻率穩(wěn)定度，一般精度要求在0-3PPM之內(nèi)的做成這種。OCXO具有更高的穩(wěn)定性，而且有更低的相位噪聲，精度更高，它是通過內(nèi)部的恒溫槽維持晶體溫度的穩(wěn)定。
1.頻率要穩(wěn)定，不隨溫度等環(huán)境因素而變化。這個要求是首位的、必然的。即便溫度補償?shù)木w振蕩器，在常溫范圍內(nèi)（比如攝氏10度到35度）也有大約0.5ppm到2ppm的誤差，做成鐘表就相當(dāng)于每年誤差30秒左右?，F(xiàn)在有些高精度的電子手表，年差在10秒之內(nèi)，相當(dāng)于0.3ppm，這是很不容易的高技術(shù)。為了追求更高的溫度穩(wěn)定性，恒溫晶振應(yīng)運而生。由于把內(nèi)部的晶體包括振蕩電路等都密封在一個溫度相對恒定的環(huán)境下，因此受外界溫度的影響大大減少，在室溫下可以做到1ppb到10ppb的量級。除了溫度以外，頻率標(biāo)準(zhǔn)也不應(yīng)該隨大氣壓、濕度等條件而變化，盡管這些條件與溫度比較起來占次要地位。
2.頻率要穩(wěn)定，不隨時間而變化。這實際上就是標(biāo)準(zhǔn)的老化問題。頻率盡管很準(zhǔn)確也不隨溫度變化，但時間一長就變化了那也不行。因此老化率是另外一個重要指標(biāo)。短期的老化率比較一天的變化，成為日老化率。中期的看月老化率，長期的看年老化率甚至看更長期的。
有一個笑話，某人用過HP/Agilent53132A這個高檔頻率計后說不好，原因就是最后幾位總是跳動。這正像高靈敏的收音機在沒有電臺的情況下噪音非常大的現(xiàn)象有同工異曲之處，你能說這樣的收音機不好嗎？最后幾位數(shù)字的跳動主要是因為其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)是個很簡單的溫補晶振，再加上被測量的信號短期穩(wěn)定度也不好造成的。作為標(biāo)準(zhǔn)，必須自己短期也非常穩(wěn)定，才能在測量的時候讓最后的顯示位也不跳動。
4.準(zhǔn)確度高。時間標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度就是說頻率實際值與真值的偏離程度。很多標(biāo)準(zhǔn)是可以微調(diào)的，但要注意的是，準(zhǔn)確度必須以穩(wěn)定度為基礎(chǔ)，沒有穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)的再好也是暫時的，因此，不要片面的追求準(zhǔn)確度而忽略了更重要的穩(wěn)定度。
5.其它。比如輸出信號幅度波形好、體積小、功耗低、壽命長、工作環(huán)境寬等。這些對于頻率標(biāo)準(zhǔn)來講并不很重要，最重要的就是上面的三點或四點.
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