在現代世界，石英晶體幾乎是所有頻率控制設備的核心。隨著市場需求量快速增長，同時對其性能的要求向高頻率和高精度，那么影響到晶振頻率的因素有哪些？

1、溫度

溫度在這里是我們列表的首位，因為它是導致頻率漂移的最重要原因。不同的晶體切割具有不同的頻率-溫度特性。圖1顯示了典型AT-cut晶體諧振器的頻率-溫度特性（這里，AT、SC或GT代表不同的晶體切割方法）。其中φ表示切割角。可以看出，不同切割角度的晶體具有不同的頻率-溫度曲線。下面是一些晶體諧振器的溫度特性。

1）晶體切割一般表現出對溫度的立方依賴關系。

2）在大多數情況下，可以通過改變晶圓與晶軸的夾角來改變零溫度系數點。

圖1：AT-cut晶體諧振器頻溫特性

2、老化

晶體諧振器的頻率隨工作時間的變化而變化，這種物理現象稱為老化。具有代表性的老化如圖2所示：

圖2：晶體諧振器的老化

應該注意的是，雖然這個圖是單方向的，但情況并非總是如此，隨著時間的推移，老化率可以反轉。當晶圓片的振動模式為厚度剪切時，如AT切割和SC切割晶體，老化主要是由于：

1）熱梯度的影響。它會在熱平衡后持續(xù)幾分鐘到幾小時。圖3顯示了兩個晶體的溫度梯度效應和升溫特性，每一個晶體都包含一個在6分鐘內達到熱平衡的烘箱。一個包含AT-cut，另一個包含SC-cut。6分鐘后的頻率變化來自圖3中的熱梯度效應。

我們可以看到SC-cut比AT-cut有更好的性能。在熱平衡之前，我們不需要考慮老化速率，因為晶體只需要3到1分鐘，而其他振蕩器只需要幾秒鐘。

圖3：AT-cut和SC-cut晶體升溫特性和熱梯度效應

2）壓力釋放的效果。它是上述加熱過程的一個函數，將持續(xù)3天到3個月。

3）晶體極性板質量的增加和減少，這是由于氣體的吸收和分解所引起的，并將持續(xù)數周至數年。晶體結構的改變是由晶格缺陷引起的，這是一種長期效應。

4）在低頻石英晶體諧振器中，當振動模式為面剪時，老化速率最低。彎曲振動時時效率較高，延伸振動時時效率最高。當振動模式相同時，較低的頻率和較大的極板晶體的老化速率較低。

老齡化效應可以分為前期和后期兩個時間段。前期老化（1-2個月）有較高的老化率，這個老化率可以達到1×1-7/月（此數字表示頻率準確度將會改變1×1-7每月）到1×1-8/月。后期，當晶體運行1-2個月時，老化率可降低到（1~3）×1-9到（1~3）×1-1/月。

3、激勵電平

激勵電平有大小之分，一般來講偏小的激勵電平對長穩(wěn)有利，激勵電平太大的時候石英片振動變強，這樣會導致振動區(qū)域溫度升高，從而導致頻率的穩(wěn)定度降低。激勵電平過大會使等效電阻增加，容易激起寄生振動，由于機械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移，使頻率產生永久性的變化，甚至有時會把石英片振壞。

圖4：石英晶片

在一個精確的晶體諧振器中，振蕩器的頻率也依賴于晶體電流或驅動電平。方程是：

Δf/f≈ki

這里，ⅰ是流過晶體的交流電流水是一個常數，它取決于晶體。Δf/f為振動頻率的相對變化量。當驅動電流較大時，老化性能和長期頻率穩(wěn)定性會變差。但當驅動電平過小時，噪聲電流可能比晶體電流大，這會導致短期頻率穩(wěn)定性變差。目前，正常的2.5MHz和5MHZ高精度晶體振蕩器的驅動電平小于7μA。

激勵電平的大小直接影響晶體諧振器的性能，一般取7-1uA為佳；用激勵功率表示時，一般取1-1uW為佳。電路設計者一定要嚴格控制晶體諧振器在規(guī)定的激勵電平下工作，以便充分發(fā)揮晶體諧振器的特點。

4、負載電容

電容性負載的變化會影響頻率，晶體振蕩器必須與變化的負載匹配，這說明了可用的晶體組件種類繁多。

圖5：晶體的負載電容和頻率的誤差的關系圖

還必須考慮最大驅動功率，如果石英晶體不斷暴露在超出預期最大功率的超速驅動條件下，它會迅速老化。

甚至將其放置在板上也會影響負載，無論是重新放置晶體本身還是重新布線其他組件。所有這些都是潛在的機械共振源，必須在振蕩器電路設計過程中加以考慮和測試。

5、電源電壓

電源電壓的變化可能導致振蕩器電路的有效電阻發(fā)生變化，從而導致頻率漂移。常見的解決方案是使用穩(wěn)壓電源，以確保無論設備消耗多少電流，輸出電壓都將始終保持在電源的額定值。
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