发布时间:2021-05-12
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频率稳定度(Frequency Stability)通常分为短期稳定度和长期稳定度。其中,长期频率稳定度主要受到晶振老化(Aging)的影响。晶振老化是指石英晶体在长期工作过程中,振荡频率随着时间产生定向漂移的现象。通常用单位时间内的频率变化量表示,例如ppm/year(年老化率)。从物理机理来看,晶振老化主要与质量迁移和应力驰豫有关。
石英晶体在生产过程中,需要经过切割、研磨、清洗、电极镀膜等工艺。即使经过严格清洁处理,晶片表面仍可能残留微量污染物。当晶振通电工作时,晶片持续振动,附着在晶片表面的微小颗粒会逐渐脱落或重新分布,使晶片质量发生变化,从而导致振荡频率产生漂移。这种由于质量减少导致频率逐渐升高的现象,被称为正向老化(Positive Aging)。
石英晶体在制造过程中,例如晶片切割、研磨、抛光,以及电极和封装过程中,都可能产生内部机械应力。随着时间推移,材料内部应力逐渐释放,使晶体的机械状态发生变化,从而导致振荡频率下降。这种频率逐渐降低的现象,被称为负向老化(Negative Aging)。采用特殊切割方式可以改善应力影响,例如SC切割具有较好的温度特性和长期稳定性,广泛应用于高稳定度晶振产品。
为了提高产品长期稳定性,晶振生产厂家通常会进行老化处理。根据不同产品结构和应用需求,厂家会设置特定的温度、时间和工作条件,对晶片进行加速老化,使晶体性能提前趋于稳定。经过老化处理后,可以有效降低产品在实际使用过程中的频率漂移,提高长期可靠性。
石英晶体谐振器(Crystal Resonator)由于内部没有振荡IC,长期稳定度主要受到晶片材料、切割方式、封装工艺以及应用电路影响。
KOAN KX系列晶体谐振器年老化率最大可达到:±3ppm/year。
晶体振荡器(Crystal Oscillator)内部集成振荡电路,相比无源晶振具有更好的输出稳定性。普通时钟振荡器以及压控晶振(VCXO)的年老化率通常约为:3~5ppm/year。
温补晶振(Temperature Compensated Crystal Oscillator,TCXO)通过温度补偿电路降低环境温度变化带来的频率漂移。由于TCXO主要用于高精度应用,因此老化指标要求更高。一般情况下:第一年老化率±0.2~±2.0ppm。十年老化率±1~±5ppm。与普通晶振不同,TCXO通常较少采用“每天老化率(Aging per Day)”作为主要指标。原因是实际应用环境中,即使实验室条件下,温度变化造成的频率偏差也可能远大于一天内产生的老化量,因此每日老化指标参考意义有限。
恒温晶振(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO)采用恒温槽技术,将石英晶体保持在稳定温度环境中工作。由于晶体基本不受外界温度变化影响,OCXO拥有所有晶振类型中最高的长期稳定性。典型老化指标:加电72小时后±0.5~±10ppb/day;第一年±30ppb ~ ±2ppm;十年±0.3ppm~±3ppm。OCXO广泛应用于通信基站、频率标准、卫星通信、测试仪器等对频率稳定性要求极高的领域。
晶振老化是影响长期频率稳定度的重要因素,主要来源于质量迁移和内部应力变化。不同类型晶振具有不同的老化性能:
石英晶体谐振器适用于成本敏感、一般精度需求的应用;
XO、VCXO适用于普通工业和通信时钟需求;
TCXO适用于移动通信、定位设备等高精度场景;
OCXO凭借恒温控制技术,可实现最高等级的长期频率稳定度。
KOAN晶振通过严格的晶片筛选、制造工艺控制以及老化测试,为客户提供稳定可靠的频率控制解决方案。