表征石英晶體的頻率偏差：頻率容差、頻率穩(wěn)定性和老化

了解石英晶體頻率偏差的一些最重要的特征。

幾乎每個電子系統(tǒng)的可靠運行都依賴于精確的定時參考。 石英晶體
具有高質量因數(shù)，并提供可靠、穩(wěn)定且具有成本效益的定時解決方案。 作為一種機電器件，石英晶體不像電阻器、電容器和電感器等其他無源器件那樣直觀。 它們是壓電材料，將機械變形轉換為端子上的比例電壓，反之亦然。

本文深入探討了用于表征石英晶體諧振頻率偏差的三個重要指標：頻率容差、頻率穩(wěn)定性和老化。

頻率容差

頻率容差指定在25°C時與標稱晶體頻率的最大頻率偏差。 例如，考慮頻率容差為 ±20 ppm 的 32768 Hz
晶體。 該晶體在25°C下的實際振蕩頻率可以在32768.65536和32，767.34464
Hz之間。 我們可以將這種頻率變化稱為生產(chǎn)公差，因為它源于制造和裝配過程中的正常變化。 晶體通常以固定公差值提供，一些典型值為 ±20 ppm、±50 ppm 和
±100 ppm。 雖然可以要求具有特定頻率公差的晶體，例如±5 ppm晶體，但定制晶體更昂貴。

頻率穩(wěn)定性

頻率容差表征器件在 25 °C 下的生產(chǎn)容差，而頻率穩(wěn)定性指標則規(guī)定了工作溫度范圍內(nèi)的最大頻率變化。 圖1顯示了典型AT切割晶體的頻率隨溫度的變化。

***圖1. *圖片由 恩智浦.

在本例中，該器件在-40 °C至+85 °C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出約±12 ppm的最大頻率變化。 請注意，25°C時的振蕩頻率用作參考點（在此溫度下偏差為零）。

您可能想知道溫度變化通過什么機制導致諧振頻率的變化？ 事實上，晶體的大小會隨著溫度而略有變化。 由于諧振頻率取決于晶體尺寸，因此溫度變化會導致其頻率發(fā)生變化。

在設計電子電路時，我們不能依靠頻率容差規(guī)格來確定定時精度，尤其是當系統(tǒng)將暴露在極端溫度條件下時。 例如，對于經(jīng)常留在熱兒子中的便攜式設備或在阿拉斯加運行的系統(tǒng)，忽略晶體頻率穩(wěn)定性可能會阻止系統(tǒng)滿足目標時序預算。

溫度響應取決于晶體切割類型

晶體的頻率與溫度曲線取決于制造過程中使用的切割類型。 切割類型是指石英條被切割以形成晶體晶片的角度。 雖然AT切割晶體表現(xiàn)出立方溫度穩(wěn)定性曲線（圖1），但BT切割晶體具有拋物線曲線（圖2）。

圖2. 圖片由 愛普生.

從圖1和圖2中，我們觀察到AT切割晶體在其工作溫度范圍內(nèi)的頻率變化相對較小。 從另一個角度來看，AT切割晶體的溫度曲線也是需要的。 如圖2所示，BT切割的諧振頻率低于室溫兩側的標稱值。 這與所示的AT-cut曲線（圖1）形成鮮明對比，其中振蕩頻率高于25°C以下的標稱值，低于25°C以上的標稱值。 如果晶體用于計時應用，AT-cut的這一特性可以帶來更高的精度，因為溫度變化產(chǎn)生的誤差可以平均為零。 由于其優(yōu)越的溫度特性，AT切割晶體是使用最廣泛的晶體類型之一。

值得一提的是，還有許多其他切割類型，例如XY切割，SC切割和IT切割。 每種切割類型都可以提供一組不同的特征。 溫度性能、對機械應力的敏感性、給定標稱頻率的尺寸、阻抗、老化和成本是受切割類型影響的一些參數(shù)。

頻率穩(wěn)定性的一些常見值在指定溫度范圍內(nèi)為 ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。 同樣，可以訂購具有卓越頻率穩(wěn)定性的定制晶體，例如在-40°C至+85°C范圍內(nèi)±10 ppm; 然而，除了最苛刻的應用之外，這種晶體對于所有應用來說都將非常昂貴。 圖 3 顯示了嚴格的穩(wěn)定性要求如何限制切割角度的選擇。 這導致了具有挑戰(zhàn)性的制造過程和成本高昂的產(chǎn)品。

*圖 3.圖片由IQD Frequency Products提供。 *

過驅動晶體的溫度響應

晶體中可以安全耗散的功率有一個上限。 這在器件數(shù)據(jù)表中指定為驅動電平，在微瓦到毫瓦范圍內(nèi)。 在本系列的下一篇文章中，我們將詳細討論驅動器級別指標。

在這里，我只想提一下超過最大驅動電平會如何顯著降低晶體頻率穩(wěn)定性。 圖 4 顯示了具有適當驅動電平（本例中為 10 μW）的一些晶體的頻率與溫度曲線。 可以觀察到共振頻率的平滑變化。

*圖 4.圖片由Raltron提供。 *

但是，對于500 μW的過驅動晶體，溫度響應不穩(wěn)定，如圖5所示。

圖5. 圖片由 拉創(chuàng)

老化效果

可悲的是，水晶和我們一樣老化！ 老化會影響晶體的共振頻率。 有幾種不同的老化機制。 例如， 晶體在安裝在PCB上時可能會遇到一些機械應力. 隨著時間的推移，安裝結構產(chǎn)生的應力可能會降低并導致諧振頻率的變化。

另一種老化機制是晶體污染。 隨著時間的流逝，微小的塵埃要么脫落，要么落到石英表面，導致晶體質量發(fā)生變化，從而導致其共振頻率發(fā)生變化。 影響晶體老化的另一個因素是其驅動水平。 降低驅動器電平可以減少老化效應。 超驅動晶體在一個月內(nèi)經(jīng)歷的老化效應可能與在額定功率水平下驅動的 1 年晶體的老化效應一樣大。 圖6顯示了一個典型的老化圖。

圖6. 圖片由 周輝

請注意，老化圖并不總是平滑函數(shù)，當存在兩種或多種不同的老化機制時，老化方向可能會逆轉。 此外，請注意，老化效果會隨著時間的推移而降低。 大多數(shù)衰老發(fā)生在第一年。 例如，與1歲的晶體相比，5歲的晶體表現(xiàn)出更小的老化引起的頻率變化。

總頻率誤差

晶體的總公差可以通過將上述三個規(guī)格（即頻率公差、頻率穩(wěn)定性和老化）貢獻的誤差相加來獲得。 該總最大容差有時稱為總穩(wěn)定性，如圖7所示。

圖7. 總穩(wěn)定性的組成部分。 圖片由 硅實驗室

例如，頻率容差為 ±10 ppm，在 -40 °C 至 +85 °C 的溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定性為 ±20 ppm，第一年老化為 ±3 ppm； 我們預計在指定條件下的總頻率誤差為 ±33 ppm。

根據(jù)總頻率誤差，我們可以確定給定晶體是否能夠滿足應用的要求。 例如，晶體頻率偏差會導致RF ASIC的載波頻率出現(xiàn)類似的偏差。 我們可以使用總頻率誤差來確定給定晶體是否可以滿足應用的時鐘精度要求。 例如，對于 802.15.4 標準，載波頻率的最大偏差為 40 ppm。 但是，對于低功耗藍牙，有更嚴格的 20 ppm 要求。 因此，總頻率誤差為 ±30 ppm 的晶體可以與 802.15.4 RF 產(chǎn)品一起使用。 但是，相同的晶體不能用于低功耗藍牙應用。 在下一篇文章中， 我們將繼續(xù)討論，并研究影響晶體輸出頻率穩(wěn)定性和可靠性的其他重要參數(shù)。