每当时至冬日,来自北方的寒风不断带来大幅度的降温,除了人因低温受寒发病率增加之外,一些户外的电子产品故障也开始频发,如行车记录仪不开机、户外摄像头不启动等。原因之一就是晶振不再正常工作了。那么,为何低温对晶振的影响有哪些呢?分析如下:
晶振的核心部分是石英晶片,即石英晶体。石英晶体因其压电物理效应而被作为频率元件的材料。其优势是输出频率稳定且精准。但是,石英晶体还有另外一个特性,那就是“温漂”。
也就是说,石英晶片在振动过程中会随着工作温度的变化而发生变化,温漂呈”S”型轨迹,大致在低温-10℃时,会出现一个拐点。
如下图所示:
(石英晶体的温漂现象)
因此,在晶振的电气参数中,除了标称频率,即指的是在温度为25摄氏度左右的条件下输出的频率精度之外,还有一个重要的参数为“温度频差”。提及温度频差,就要认真看其温度范围。比如:温度频差为 ±30ppm,工作温度为 -20℃~+70℃,指的即是该晶振在这个温度变化区间内的频偏最大值可以控制在±30ppm之内。再讲具体一点,若该晶振为SMD3225 26MHz, 调整频差为±10ppm,温度频差为±30ppm,工作温度(°C):-20~+70,指的是在温度为25摄氏度的条件下,该颗晶振的理想输出频率在 25.999740MHZ~26.000260MHZ之间。若其工作温度在-20℃~+70℃区间内,其频差范围可控制在 25.999220MHZ~26.000780MHZ。由此看出,若CPU对晶振的精度有严格要求,比如需要晶振稳定处于±30ppm的频差范围工作,一旦晶振处于低于零下20℃的工作温度环境,它的实际输出频率将无法满足CPU的捕捉范围之需求,很可能发生的结果就是CPU抓不到晶振输出的时钟信号,而造成系统瘫痪。在这种情况下,晶振可能仍处于起振状态,只是频偏过大了。
解决思路有两种:
1、更换宽温晶振,即工作温度为-40℃~+85℃,±10ppm~±30ppm。
2、调宽IC对晶振频率的捕捉范围。
另外一种低温对晶振的影响现象是在低温下,晶振彻底停振。这种情况主要是由于晶振制成不合格所致。若晶振在封装制成中,气密性不达标,或未抽真空并添注氮气,晶振内部可能残存细微固体颗粒及水蒸气。在低温条件下,水蒸气会与细微固体凝聚成小水滴并固着于石英晶片表面,造成晶振DLD2或电阻超差。足够严重时,直接导致晶振停振。
既然谈及低温对晶振的影响,顺便也谈及一下高温,如上图所示,石英晶体在+60℃时,也会出现一个”拐点”,即温漂又会反向回转。因此,控制好晶片的切割角度在一定公差范围内,就可以保证在这两个拐点时及温漂在-40℃~85℃区间时,晶振频偏不超过±30ppm,这需要晶振的生产工艺必须达标。目前在晶振温度频差这个领域可以做到的参数如下:
±10ppm (-20~+70 ℃)
±15ppm (-40℃~+85 ℃)