為什么長時間工作后晶振頻率精度變差了？

長時間工作后晶振頻率精度變差，通常被稱為頻率漂移，其背后是多種物理和化學(xué)因素共同作用的結(jié)果。

簡單來說，核心原因是晶振的“老化”。就像機(jī)械零件會磨損一樣，晶振這個電子零件也會隨著時間和工作而“老化”，導(dǎo)致其振動特性發(fā)生微小變化。

以下是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的幾個主要原因，從主到次排列：

1 . 晶 振 老 化

這是最根本、最主要的原因。老化是一個緩慢、單向的頻率變化過程，主要由石英晶體諧振器內(nèi)部的物理和化學(xué)變化引起：

質(zhì)量遷移/吸附物釋放：

在制造過程中，晶片、電極、支架等部件表面會吸附一些微量的氣體分子（如水汽、氫氣等）和污染物。

長時間工作產(chǎn)生的熱量會加速這些吸附物的解吸和遷移。當(dāng)它們從振動強(qiáng)烈的晶片表面離開時，相當(dāng)于晶片的質(zhì)量發(fā)生了微小的減輕。根據(jù)晶振的物理原理，質(zhì)量減輕會導(dǎo)致頻率升高。

同時，這些釋放的分子也可能在其他地方（如節(jié)點(diǎn)）重新沉積，造成質(zhì)量分布改變。

應(yīng)力釋放：

晶振在制造和封裝過程中，內(nèi)部的金屬支架、焊點(diǎn)、晶片本身都會存在內(nèi)應(yīng)力。

長時間的工作和溫度循環(huán)（開機(jī)升溫，關(guān)機(jī)降溫）就像一個“退火”過程，會使這些內(nèi)應(yīng)力逐漸釋放和重新分布。內(nèi)應(yīng)力的改變會影響晶片的彈性常數(shù)，從而直接導(dǎo)致頻率發(fā)生漂移。

電極材料變化：

晶振的電極通常是極薄的金屬膜（如銀、鋁）。長時間通過電流和處于高頻振動下，電極可能會發(fā)生非常微弱的擴(kuò)散、再結(jié)晶或與晶片發(fā)生反應(yīng)。

這種變化會輕微改變電極的質(zhì)量和附著力，從而影響晶體的等效質(zhì)量和彈性，導(dǎo)致頻率漂移。

2 . 熱 效 應(yīng)

雖然晶振本身設(shè)計了溫度補(bǔ)償（如TCXO），但長時間工作帶來的熱效應(yīng)依然有影響：

自身發(fā)熱：晶振和其驅(qū)動電路在工作時會消耗功率并產(chǎn)生熱量。即使環(huán)境溫度恒定，晶振本身的溫度也會升高。如果熱設(shè)計不佳（散熱不好），晶振會長期處于一個高于室溫的“熱穩(wěn)態(tài)”。這個溫度可能不在其最佳工作點(diǎn)，從而引入固定的頻率偏差。

熱應(yīng)力：如上所述，反復(fù)的升溫降溫循環(huán)會加速內(nèi)部應(yīng)力的釋放。

3 . 外 部 電 路 影 響

晶振的性能也依賴于其外部配套電路（負(fù)載電容、電阻等）。

元件老化：與晶振匹配的負(fù)載電容、補(bǔ)償電路中的電阻、電容等元件，其參數(shù)也會隨著時間和溫度老化而發(fā)生變化。這些變化會改變晶振的負(fù)載條件，從而“拉偏”其輸出頻率。

電源穩(wěn)定性：長時間工作下，電源的紋波、噪聲和電壓穩(wěn)定性如果發(fā)生變化，也會通過振蕩電路影響到頻率的穩(wěn)定性。