晶振基本原理与特性解析：压控、频率稳定度与温度影响

本文主要介绍了晶振的基本原理和特性，特别是其在电子设备中的振荡电路应用，以及晶振的频率稳定性和相关技术指标。 晶振，全称为晶体振荡器，是电子设备中用于产生精确时钟信号的关键组件。在电路设计中，通常采用电容三端式（考毕兹）交流等效振荡电路，如图1a所示。实际应用中，晶振的等效电路会更为复杂，如图1b所示，其中Cv用于调节振荡频率，通过变容二极管和反偏电压实现压控功能。晶振内部等效电路包括Co、C1、L1和RR，它们共同决定了晶振的电气特性。 振荡频率主要由Cbe、Cce和Cv串联后与Co并联再与C1串联的总电容决定。C1和Co的大小直接影响Cv对振荡频率的调节效果，C1越小，Co越大，Cv的压控作用就越小，压控范围也就越窄。非线性效应和反馈电压的减少可能造成振荡停止。为了获得更宽的压控范围，通常选择具有较高泛音次数的晶振，因为这将减小等效电容C1。 晶振的性能指标主要包括总频差和频率稳定度。总频差是指在一定时间内，所有工作和非工作参数组合下，晶振频率与标称频率的最大偏差，涵盖了温度稳定性、频率老化率等因素。例如，在精密制导雷达等关注短期频率稳定性的应用场景中，总频差是一个关键参数。 频率稳定度涉及晶振输出频率随时间的变化，包括老化、漂移和短稳三个因素。老化是长期使用过程中频率的逐渐变化，漂移则是在较短时间内由于环境温度变化引起的频率变化，而短稳则是非常短的时间间隔内的频率波动。这些因素可以通过观察晶振输出频率随时间的曲线（如图2所示）来理解。 频率温度稳定度是衡量晶振在不同温度下的频率变化，不带隐含基准温度的ft和带隐含基准温度的ftref分别定义了最高和最低频率相对于参考频率的最大偏差。计算公式中，fmax和fmin分别为规定温度范围内的最高和最低频率，fref为规定基准温度下的频率。 晶振在电子系统中的作用至关重要，其工作原理、频率调谐方式以及稳定性的考量是设计和选用晶振时需要重点关注的方面。正确理解和掌握这些知识点有助于优化系统性能，确保设备的可靠运行。