晶振的关键参数和特性

OSC-2无源晶振的特性参数

引言：在晶振选型时，除了关键参数之外，也需要考虑更多的特性与参数，保证系统超长期运行的稳定性和可靠性，本节主要介绍有关晶振的各项关键特性和参数。（传送门：Analog series-OSC-1：无源晶振的基础）

1.晶振的关键参数和特性

1.晶振的频率起伏特性

晶振的频率起伏特性是因石英晶体单元的Q值、振荡电路的噪音以及温度补偿电路噪音等影响引起的一种微小的频率变动特性，该特性不包括温度变动因素。

2.温度特性

温度特性表示因元器件周围的温度变化或空气流动等产生的温度变动所引起的频率的微小变动。

3.温度跟随特性

表示对于元器件外部温度急剧变化的频率变动特性，与上面所说的温度特性区分表示。

4.调整频差ppm

调整频差也叫晶振的精度（误差）是石英晶振重要的参数之一，表示晶体频率会偏离标称频率多少，值越小精度越高。常温25°C基准温度下，工作频率相对于标称频率所允许的偏差，包括一定的负载电容下的晶体频率公差，加工误差，调整频差(Frequency Tolerance)用频率变化的最大值和标称频率的比值来表示，单位是ppm，PPM含义为百万分之一(part per million 1/10^6)。在产品规格书中，ppm通常会用最大值(max)来表示，例如30ppm max，但产品实际的误差值会更小。

常见的晶振精度有±0.5ppm、±1ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±50ppm等等。其中OCXO精度最高，最少可达到3ppb=0.003ppm。

如果晶振频偏超过限度，芯片内部的锁相环PLL锁偏导致频率出错，芯片工作就会不稳定甚至停止工作，连带的通信也会异常。

5.温度频差ppm

温度频差（Frequency Stability vs Temp）表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许频率偏离量，单位也是ppm。

6.DLD2

DLD2指的是：不同激励电平下的负载谐振电阻的最大值与最小值的差值，值越小越好。驱动功率的变化会引起晶体频率和谐振阻抗的变化，被称为驱动功率相关性。

7.驱动功率（激励功率）

表2-1：无源晶振的典型参数示例

驱动功率表征了驱动该晶体需要的典型功率，如图2-1所示，要求不能超过最大驱动功率，否则长期工作会有晶振损坏的风险。如果驱动功率过大可能破坏晶体的内部机理，引起振荡频率异常、稳定度下降、频率失真、晶片破损等现象，更为严重的导致电极受损。如果激励功率过低，也会带来DLD问题或者不起振，关于驱动功率的计算后续章节会提到。

2.怎么计算频率误差

例如3225封装，标称频率12MHz，±30ppm，其频率误差为±30/100万*12MHz=±360Hz.

例如标称频率为10MHz的晶振，-20~+70℃中误差为±20ppm，其在-20℃～+70℃温度范围内，温度误差范围：±(10MHz × 20ppm)=±200Hz，那么晶振的频率为9.999800MHz ~ 10.000200MHz。

3.影响晶振频率稳定度的因素

频率稳定性表示晶振的输出频率因温度变化、频率老化、电压变化、输出负载变化等外部条件而发生的变化。我们常说的总频差就是这些工作和非工作参数全部结合起来而引起晶振频率与标称频率之间的最大偏差。

频率稳定度（Frequency Stability）通常分为长期和短期两种，是用来衡量振荡频率保持不变的能力。下面将介绍几点会影响频率稳定度的因素：

1.老化 Aging

晶振的频率随着工作时间的变化而变化，物理现象被称为老化aging。在生产过程中，根据不同产品属性，设置不同的温度和时间对晶片进行加速老化，使得晶片趋近于稳定精度，来提高产品的稳定性。

极端温度升高会导致频率漂移（Frequency Drift），晶振的频率随着工作时间的定向漂移，物理现象被称为老化aging。老化被认为是“质量迁移”和“应力驰豫”这两个原因产生的。

2.温度Temperature

不同晶体的切割方式有着不同的频率温度特性：音叉Tuning Fork晶振的温度特性曲线是负二次方程曲线，AT切的切角为35°15' 是晶体谐振器里最常用的切型，频率和温度是三次函数关系；SC切切割角度是基于x，y，z基础坐标的双旋转，切角分别为21.93°和 34.11°。

3.驱动功率 （Drive Level/Level of drive）

驱动功率是晶体在工作时的功耗，通常以mW和uW来表示。驱动功率过高会导致晶片振动变强，振动导致温度升高，频率稳定度随之降低，严重时晶振不稳定，晶片会振裂，加快老化。如果驱动功率偏小，谐振器输出波形偏弱，长期可能会停振，引起芯片停止工作。

4.负载电容Load Capacity

晶体谐振器必须与变化的负载匹配，如果晶体两端的等效电容和标称负载电容存在差异，晶体输出的频率将会和标称工作频率产生偏差。

5.电压变化Voltage Change

有源晶振需要使用干净稳定的电源，电压变化会带动电阻变化，输出电压需要保持在电源的额定值。