助你理解温漂概念_LSE温漂实验

只看该作者 · 2024-12-30 21:07

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0、前言
温漂，每个学习过模电的电子人应该都不陌生。是指在电子设备或电路中，由于温度变化而引起的参数漂移现象。你听过很多次，但你真的对它和它所带来的影响有清晰概念吗？
本文通过LSE外部低速晶体振荡器（Low-Speed External Crystal Oscillator）比对不同温度实验的方式，帮助新手在心中建立起温漂的概念。
更新时间：2024.12.30

1、测试前准备
测试设备：示波器、电压跟随器
测试芯片：F103R8T6
晶振频率：32.768KHz
芯片供电：3.3V
驱动配置：默认
本次实验是捕捉比对LSE_XOUT在不同温度下的波形特征。LSE波形存在电压较小，驱动能力较弱的特点，因此用到电压跟随器进行波形测量。其中原由我在《如何精准测量LSE的静态工作点》一文中已说明，感兴趣的可以看看。
https://bbs.21ic.com/icview-3409098-1-1.html

2、温度测试现象
温度越高，LSE_XOUT的波形中心电压就越低，整体波形有向下漂移的趋势。另外波形振荡的幅度变大。

测试波形：
-40℃

25℃

115℃

3、温漂影响分析
1）比较器临界电压问题
我没有在F103手册中查到LSE的内部设计电路。不过根据LSE的输入特点大概可以推测出，是LSE波形输入经过内部比较器，将模拟信号转化为数字信号，而内部比较器的电压是一定的。这里就存在一个问题。温度越高，XOUT波形越往下漂，温度越低，XOUT波形越往上漂。可以想象当温度到达某一临界时，XOUT波形到达比较器的临界电压，然后出现比较器输出的电压为持续的高电平或持续的低电平，也就是LSE时钟失效。这就是温漂带来的影响，这就是手册常常会带有温度限制说明的原因。

2）温漂的影响因素
温漂通常影响组件的性能，如电阻、电容和晶体管等，导致它们的电气特性随温度的变化而发生偏移。这种现象在精密电子设备或测量仪器中尤为重要，因为它可能影响到设备的准确性和稳定性。

3）电阻电容的温漂
在电阻电容手册中，产家一般会标出温度对器件的影响。
下面举一些例子：
电阻_YAGEO(国巨)_RC0603FR-0710KL

电容_muRata(村田)_GQM1875C2ER10BB12D

4、如何减小温漂影响
减小温漂对器件带来的影响是一个多维度的问题，涉及到材料选择、电路设计、热管理和补偿技术等多个方面。为了有效应对温漂问题，可以从以下几个关键领域入手：
1）选择低温度系数的元件
电阻：使用金属膜或精密电阻，它们的温度系数较低。
电容：选择NP0（C0G）陶瓷电容，具有接近零的温度系数。
晶体管：选用温度稳定性好的材料，如硅锗（SiGe）。

2）采用温度补偿技术
负温度系数补偿：结合负温度系数元件（如热敏电阻）来抵消正温度系数元件的影响。
差分对结构：在模拟电路中使用差分对结构，抑制共模信号和温度变化引起的漂移。
带隙基准源：使用带隙基准源提供稳定的电压参考，减少温度影响。

3）优化热设计
热隔离：合理布局PCB，将发热元件与敏感元件分开，避免局部过热。
热平衡：确保电路整体温度分布均匀，减少温差带来的影响。
散热措施：使用散热片、导热垫等材料帮助散热，降低温升。

5、题外话
本次实验做完后，我还有3个小思考。
1）XOUT温漂变化说明
问题：本次实验是用LSE_XOUT端的波形进行观测。表现为温度越高XOUT波形越往下漂，温度越低XOUT波形越往上漂。不由与刻板印象相冲突：温度越高，功耗越高，波形应该越往上漂？
思考：这是因为本次实验观测的是LSE_XOUT，与它的输入端LSE_IN是反相的。如果观测LSE_IN，那它确实应该是温度越高，功耗越高，波形越往上漂。如果有人感兴趣做了这个实验，帮忙在评论区反馈下结果，谢谢。

2）比较器的阈值电压
问题：上述结论中存在一个假设，温度对内部比较器的阈值电压没有影响或几乎没有影响，真的是这样吗？
思考：如果是用信号发生器产生低频的三角波，替代外部晶振LSE的输入，就可以在不同温度对比验证这个想法。如果有人感兴趣做了这个实验，帮忙在评论区反馈下结果，谢谢。

3）XOUT振荡变大原因
问题：XOUT整体波形的上下漂移是温度引起，那么振幅的变化是由什么引起的？
思考：XOUT的振荡涉及晶振，晶振内部有等效电阻、等效电容、等效电感，在芯片内部电路应还有反馈电阻，还有LSE的驱动配置影响驱动电流，期待你在评论区的见解。

只看该作者 · 2024-12-30 21:25

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只看该作者 · 2025-1-9 18:51

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