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(gè)電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行都依賴于精確的定時(shí)參考。 石英晶體
具有高質(zhì)量因數(shù)，并提供可靠、穩(wěn)定且具有成本效益的定時(shí)解決方案。 作為一種機(jī)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(jī)械變形轉(zhuǎn)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(gè)重要指標(biāo)：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(shí)與標(biāo)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(shí)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?yàn)樗从谥圃旌脱b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(biāo)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(qǐng)注意，25°C時(shí)的振蕩頻率用作參考點(diǎn)（在此溫度下偏差為零）。

您可能想知道溫度變化通過什么機(jī)制導(dǎo)致諧振頻率的變化？ 事實(shí)上，晶體的大小會(huì)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(huì)導(dǎo)致其頻率發(fā)生變化。

在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)，我們不能依靠頻率容差規(guī)格來確定定時(shí)精度，尤其是當(dāng)系統(tǒng)將暴露在極端溫度條件下時(shí)。 例如，對(duì)于經(jīng)常留在熱兒子中的便攜式設(shè)備或在阿拉斯加運(yùn)行的系統(tǒng)，忽略晶體頻率穩(wěn)定性可能會(huì)阻止系統(tǒng)滿足目標(biāo)時(shí)序預(yù)算。

溫度響應(yīng)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(duì)較小。 從另一個(gè)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(cè)的標(biāo)稱值。 這與所示的AT-cut曲線（圖1）形成鮮明對(duì)比，其中振蕩頻率高于25°C以下的標(biāo)稱值，低于25°C以上的標(biāo)稱值。 如果晶體用于計(jì)時(shí)應(yīng)用，AT-cut的這一特性可以帶來更高的精度，因?yàn)闇囟茸兓a(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(duì)機(jī)械應(yīng)力的敏感性、給定標(biāo)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(yīng)用之外，這種晶體對(duì)于所有應(yīng)用來說都將非常昂貴。 圖 3 顯示了嚴(yán)格的穩(wěn)定性要求如何限制切割角度的選擇。 這導(dǎo)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(qū)動(dòng)晶體的溫度響應(yīng)

晶體中可以安全耗散的功率有一個(gè)上限。 這在器件數(shù)據(jù)表中指定為驅(qū)動(dòng)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(xì)討論驅(qū)動(dòng)器級(jí)別指標(biāo)。

在這里，我只想提一下超過最大驅(qū)動(dòng)電平會(huì)如何顯著降低晶體頻率穩(wěn)定性。 圖 4 顯示了具有適當(dāng)驅(qū)動(dòng)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(duì)于500 μW的過驅(qū)動(dòng)晶體，溫度響應(yīng)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(huì)影響晶體的共振頻率。 有幾種不同的老化機(jī)制。 例如， 晶體在安裝在PCB上時(shí)可能會(huì)遇到一些機(jī)械應(yīng)力. 隨著時(shí)間的推移，安裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)降低并導(dǎo)致諧振頻率的變化。

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

圖6. 圖片由 周輝

請(qǐng)注意，老化圖并不總是平滑函數(shù)，當(dāng)存在兩種或多種不同的老化機(jī)制時(shí)，老化方向可能會(huì)逆轉(zhuǎn)。 此外，請(qǐng)注意，老化效果會(huì)隨著時(shí)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(gè)規(guī)格（即頻率公差、頻率穩(wěn)定性和老化）貢獻(xiàn)的誤差相加來獲得。 該總最大容差有時(shí)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(shí)驗(yàn)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(yù)計(jì)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(yīng)用的要求。 例如，晶體頻率偏差會(huì)導(dǎo)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(yīng)用的時(shí)鐘精度要求。 例如，對(duì)于 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，載波頻率的最大偏差為 40 ppm。 但是，對(duì)于低功耗藍(lán)牙，有更嚴(yán)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(lán)牙應(yīng)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)。