溫度越高晶振的輸出頻率也會(huì)越高嗎How does temperature affect frequency

這是一個(gè)非常經(jīng)典的問(wèn)題。答案并不是簡(jiǎn)單的“是”或“否”，因?yàn)樗?/span>取決于晶振的類型和其內(nèi)部采用的補(bǔ)償技術(shù)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：

普通晶振（尤其是無(wú)源晶振）：溫度升高，頻率通常會(huì)降低。

帶溫度補(bǔ)償?shù)木д瘢═CXO）：溫度升高，頻率基本保持不變。

恒溫晶振（OCXO）：溫度升高，頻率絕對(duì)保持不變。

下面我們來(lái)詳細(xì)解釋這幾種情況：

1. 普通晶振 - 通常呈現(xiàn)“負(fù)溫度特性”

對(duì)于最常見(jiàn)的無(wú)源晶振和普通的有源晶振，其核心是石英晶體。石英晶體本身有一個(gè)重要的特性：其諧振頻率會(huì)隨著溫度的變化而變化。比如一個(gè)24MHz ±10PPM的晶振，它的頻率范圍就是23.999800MHz到24.000200MHz。

頻率溫度曲線：這個(gè)關(guān)系通常是一個(gè)三次函數(shù)曲線，類似于一條“駝峰”或“山谷”形的曲線。

關(guān)鍵點(diǎn)：對(duì)于最常用的AT切割石英晶體，其頻率-溫度曲線是一個(gè)以25°C 左右為中心點(diǎn)的開口向下的拋物線。這意味著：

在室溫（~25°C）附近，頻率變化很小。

當(dāng)溫度偏離室溫，無(wú)論是變高還是變低，頻率通常都會(huì)下降。

因此，在大多數(shù)情況下，溫度越高，普通晶振的輸出頻率反而越低。

結(jié)論：對(duì)于普通晶振，溫度與頻率的關(guān)系是負(fù)相關(guān)的，溫度升高通常導(dǎo)致頻率降低。

2. 溫補(bǔ)晶振 - 通過(guò)補(bǔ)償保持穩(wěn)定

I為AT切型晶體頻率一溫度特性曲線，Ⅱ?yàn)榫w串聯(lián)回路補(bǔ)償曲線，

Ⅲ為補(bǔ)償后的晶體振蕩器頻率溫度特性曲線

為了解決普通晶振的溫度漂移問(wèn)題，誕生了溫補(bǔ)晶振。

工作原理：TCXO內(nèi)部包含一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)補(bǔ)償電路。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，補(bǔ)償電路會(huì)根據(jù)溫度變化產(chǎn)生一個(gè)與晶體頻率漂移趨勢(shì)相反的電壓，施加在晶體或變?nèi)?a target="_blank">二極管上，從而將輸出頻率“拉回”到標(biāo)稱值。

效果：一個(gè)設(shè)計(jì)良好的TCXO可以將頻率隨溫度的變化控制在±0.5 ppm甚至更小的范圍內(nèi)。

結(jié)論：對(duì)于TCXO，其設(shè)計(jì)目標(biāo)就是讓輸出頻率不隨溫度變化。所以溫度升高，其輸出頻率基本保持不變。

3. 恒溫晶振 - 通過(guò)恒溫實(shí)現(xiàn)超高穩(wěn)定度

對(duì)于穩(wěn)定度要求極高的應(yīng)用，如基站、導(dǎo)航系統(tǒng)等，會(huì)使用恒溫晶振。

工作原理：OCXO將石英晶體和一個(gè)溫控電路放置在一個(gè)隔熱恒溫槽內(nèi)。這個(gè)恒溫槽通過(guò)加熱將晶體始終維持在其頻率-溫度曲線的零溫度系數(shù)點(diǎn)（通常是85°C ~ 90°C）。

效果：無(wú)論外部環(huán)境溫度如何劇烈變化，晶體本身始終處于一個(gè)恒定且最佳的溫度下，從而實(shí)現(xiàn)了極高的頻率穩(wěn)定度（可達(dá)±0.1 ppb級(jí)別）。

代價(jià)：OCXO的缺點(diǎn)是功耗大、啟動(dòng)慢、體積大且成本高。

結(jié)論：對(duì)于OCXO，外部溫度變化對(duì)其輸出頻率幾乎沒(méi)有影響。