了解石英晶體頻率偏差的一些最重要的特性。

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。 石英晶體具有高品質(zhì)因數(shù)，提供可靠、穩(wěn)定且經(jīng)濟實惠的定時解決方案。作為機電設(shè)備，石英晶體不像電阻、電容和電感等其他無源器件那樣直觀。它們是壓電材料，能夠?qū)C械變形轉(zhuǎn)換為端子間的比例電壓，反之亦然。

本文將深入討論三個用于表征石英晶體諧振頻率偏差的重要指標：頻率容差、頻率穩(wěn)定性和老化。

頻率容差

頻率容差是指在 25°C 時，晶體標稱頻率的最大偏差。例如，一個 32768 Hz 的晶體具有±20 ppm 的頻率容差。該晶體在 25°C 時的實際振蕩頻率可以在 32768.65536 Hz 到 32,767.34464 Hz 之間。我們可以將這種頻率變化稱為生產(chǎn)容差，因為它源于制造和裝配過程中的正常變化。晶體通常以固定的容差值提供，典型值有±20 ppm、±50 ppm 和±100 ppm。雖然可以要求具有特定頻率容差的晶體，例如±5 ppm 的晶體，但定制晶體更昂貴。

頻率穩(wěn)定性

雖然頻率容差表征了 25°C 時的設(shè)備生產(chǎn)容差，但頻率穩(wěn)定性指標指定了在工作溫度范圍內(nèi)的最大頻率變化。圖 1 顯示了典型 AT 切晶體的頻率隨溫度的變化。

圖 1。 圖片由 NXP 提供。

在此示例中，該設(shè)備在-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（在該溫度下偏差為零）。

您可能會想，溫度變化是如何導(dǎo)致諧振頻率變化的？實際上，晶體的尺寸會隨著溫度的變化而輕微變化。由于諧振頻率取決于晶體尺寸，溫度變化會導(dǎo)致其頻率變化。

在設(shè)計電子電路時，我們不能僅依賴頻率公差規(guī)格來確定時序精度，尤其是在系統(tǒng)將暴露于極端溫度條件時。例如，對于經(jīng)常被遺留在炎熱陽光下或阿拉斯加運行的便攜式設(shè)備，忽視晶體頻率穩(wěn)定性可能會導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足目標時序預(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。切割類型是指切割石英棒以創(chuàng)建晶體薄片的角。雖然 AT 切割晶體表現(xiàn)出立方的溫度穩(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 Epson 提供。

從圖 1 和圖 2 中，我們觀察到 AT 切晶體的頻率變化在其工作溫度范圍內(nèi)相對較小。從另一個角度來看，AT 切晶體的溫度曲線也是令人期望的。如圖 2 所示，BT 切晶體的諧振頻率在室溫兩側(cè)都低于其標稱值。這與圖 1 中描繪的 AT 切曲線形成對比，在 25℃以下，振蕩頻率高于標稱值，而在 25℃以上，振蕩頻率低于標稱值。如果晶體用于計時應(yīng)用，AT 切的這種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。由于它們卓越的溫度特性，AT 切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，如 XY 切、SC 切和 IT 切。每種切割類型都可以提供一套不同的特性。溫度性能、對機械應(yīng)力的敏感性、給定標稱頻率的尺寸、阻抗、老化成本是一些受切割類型影響的參數(shù)。

頻率穩(wěn)定性的常見值在特定溫度范圍內(nèi)為±20 ppm、±50 ppm 和±100 ppm。同樣，可以訂購具有更高頻率穩(wěn)定性的定制晶體，例如在-40°C 至+85°C 范圍內(nèi)為±10 ppm；然而，對于除最高要求的應(yīng)用之外的所有應(yīng)用，這種晶體將極其昂貴。圖 3 顯示了嚴格的穩(wěn)定性要求如何限制切割角的選擇。這導(dǎo)致了一個具有挑戰(zhàn)性的制造過程和成本高昂的產(chǎn)品。

圖 3。 圖片由 IQD 頻率產(chǎn)品 提供。

晶體的溫度響應(yīng)

晶體可以安全耗散的功率有一個上限。這被指定為設(shè)備數(shù)據(jù)表中的驅(qū)動電平，范圍在微瓦到毫瓦之間。在本文系列的后續(xù)文章中，我們將詳細討論驅(qū)動電平指標。

在這里，我想只是提一下超過最大驅(qū)動電平如何顯著降低晶體頻率穩(wěn)定性。圖 4 顯示了某些晶體在適當驅(qū)動電平（例如 10 μW）下的頻率與溫度曲線?？梢杂^察到諧振頻率的平滑變化。

圖 4。 圖片由 Raltron 提供。

然而，在 500 μW 的過驅(qū)動晶體下，我們將出現(xiàn)如圖 5 所示的溫度響應(yīng)異常。

圖 5。 圖片由 Raltron 提供。

老化效應(yīng)

遺憾的是，晶體也會像我們一樣老化！老化會影響晶體的諧振頻率。有多種不同的老化機制。例如，當晶體安裝在 PCB 上時，它可能會受到一些機械應(yīng)力。隨著時間的推移，安裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可能會減弱，從而導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生變化。

另一種老化機制是晶體污染。隨著時間的推移，微小的塵埃顆粒會從石英表面脫落或落上，導(dǎo)致晶體質(zhì)量發(fā)生變化，進而導(dǎo)致其諧振頻率發(fā)生變化。影響晶體老化的另一個因素是其驅(qū)動電平。降低驅(qū)動電平可以減少老化效應(yīng)。一個過驅(qū)動的晶體在一個月內(nèi)經(jīng)歷的老化效應(yīng)，可能相當于一個已驅(qū)動1年且在額定功率電平下工作的晶體。圖6顯示了典型的老化曲線。 

圖 6。 圖片由 周輝 提供。

注意到老化曲線不總是平滑的函數(shù)，當存在兩種或多種不同的老化機制時，老化方向可能會發(fā)生逆轉(zhuǎn)。此外，請注意老化效應(yīng)隨時間減弱。大部分老化發(fā)生在第一年。例如，一個5歲的晶體與一個1歲的晶體相比，老化引起的頻率變化要小得多。

總頻率誤差

晶體的總?cè)莶羁梢酝ㄟ^將上述三個規(guī)格引起的誤差相加得到，即頻率容差、頻率穩(wěn)定性和老化。這個總最大容差有時也被稱為總穩(wěn)定性，如圖7所示。

圖 7。 總穩(wěn)定性的組成部分。圖片由硅易 labs 提供。

例如，具有±10 ppm 的頻率容差、在-40°C 至+85°C 溫度范圍內(nèi)的±20 ppm 頻率穩(wěn)定性以及第一年的±3 ppm 老化；我們預(yù)計在指定條件下總頻率誤差為±33 ppm。

基于總頻率誤差，我們可以確定給定的晶體是否能夠滿足應(yīng)用的要求。例如，晶體頻率偏差會導(dǎo)致 RF ASICs 載波頻率的類似偏差。我們可以使用總頻率誤差來確定給定的晶體是否能夠滿足應(yīng)用的時鐘精度要求。以 802.15.4 標準為例，載波頻率的最大偏差為 40 ppm。然而，對于藍牙低功耗，要求更嚴格，為 20 ppm。因此，總頻率誤差為±30 ppm 的晶體可用于 802.15.4 射頻產(chǎn)品。但是，相同的晶體不能用于藍牙低功耗應(yīng)用。在下一篇文章中，我們將繼續(xù)討論影響晶體輸出頻率穩(wěn)定性和可靠性的其他重要參數(shù)。

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