頻率容差、頻率穩定性和老化

2021-05-31

頻率容差、頻率穩定性和老化

幾乎每個電子系統的可靠運行都依賴于準確的計時參考。石英晶體具有很高的品質因數，可提供可靠、穩定且具有成本效益的時序解決方案。作為一種機電設備，石英晶體不像其他無源設備（如電阻器、電容器和電感器）那樣直觀。它們是壓電材料，將機械變形轉換為端子上的成比例電壓，反之亦然。

頻率容差

頻率容差指定 25 °C 時與標稱晶振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 時的實際振蕩頻率可以介于 32768.65536 和 32,767.34464 Hz 之間。我們可以將這種頻率變化稱為生產公差，因為它源于制造和組裝過程中的正常變化。晶體通常具有固定容差值，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容差的晶體，例如 ±5 ppm 晶體，但定制晶體更貴。 

頻率穩定性

雖然頻率容差表征了 25 °C 下的器件生產容差，但頻率穩定性指標指定了工作溫度范圍內的最大頻率變化。圖 1 顯示了典型 AT 切割晶體的頻率隨溫度的變化

在此示例中，該器件在 -40 °C 至 +85 °C 的溫度范圍內表現出約 ±12 ppm 的最大頻率變化。注意，將25°C時的振蕩頻率用作參考點（在該溫度下偏差為零）。 

您可能想知道通過什么機制溫度變化會引起諧振頻率的變化？事實上，晶體的大小隨溫度略有變化。由于諧振頻率取決于晶體尺寸，溫度變化會導致其頻率發生變化。 

在設計電子電路時，我們不能依賴頻率容限規范來確定時序精度，尤其是當系統將暴露在極端溫度條件下時。例如，對于經常留在熱子中的便攜式設備或在阿拉斯加運行的系統，忽略晶體頻率穩定性會阻止系統滿足目標時序預算。 

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。切割類型是指切割石英條以創建水晶晶片的角度。AT 切割晶體具有三次溫度穩定性曲線（圖 1），而 BT 切割晶體具有拋物線曲線（圖 2）。 

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，在室溫兩側，BT-cut 的諧振頻率低于其標稱值。這與所示的AT切割曲線（圖1）相反，在該曲線中，振蕩頻率高于25°C以下的標稱值，而低于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，因為溫度變化產生的誤差可以平均為零。由于其優越的溫度特性，AT 切割晶體是使用最廣泛的晶體類型之一。  

值得一提的是，還有很多其他的切割類型，如XY-cut、SC-cut和IT-cut。每種切割類型都可以提供一組不同的功能。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。

在指定的溫度范圍內，頻率穩定性的一些常見值是 ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。同樣，可以訂購具有卓越頻率穩定性的定制晶體，例如在 -40 °C 至 +85 °C 范圍內為 ±10 ppm；然而，這種晶體對于除最苛刻的應用之外的所有應用來說都將是非常昂貴的。圖 3 顯示了嚴格的穩定性要求如何限制切割角度的選擇。這導致具有挑戰性的制造過程和成本過高的產品。

過驅動晶體的溫度響應

晶體中可以安全耗散的功率是有上限的。這在器件數據表中指定為驅動電平，在微瓦到毫瓦范圍內。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定性。圖 4 顯示了一些具有適當驅動電平（本例中為 10 μW）的晶體的頻率與溫度曲線?？梢杂^察到諧振頻率的平滑變化。

然而，當過驅動晶體為 500 μW 時，我們將出現不穩定的溫度響應，如圖 5 所示。

老化效應

可悲的是，晶體和我們一樣老化！老化會影響晶體的諧振頻率。有幾種不同的老化機制。例如，晶體在安裝在 PCB 上時可能會受到一些機械應力。隨著時間的推移，來自安裝結構的應力可能會降低并導致諧振頻率發生變化。

另一個老化機制是晶體污染。隨著時間的推移，微小的灰塵碎片會掉落或落在石英表面上，導致晶體質量發生變化，從而導致其共振頻率發生變化。影響晶體老化的另一個因素是其驅動電平。降低驅動電平可以減少老化效應。過驅動晶體在一個月內經歷的老化效應可能與以額定功率水平驅動的 1 年舊晶體一樣多。圖 6 顯示了典型的老化圖。 

請注意，老化圖并不總是一個平滑的函數，當存在兩種或多種不同的老化機制時，老化方向可能會發生逆轉。此外，請注意老化效果會隨著時間的推移而減弱。大多數老化發生在第一年。例如，與使用 1 年的晶體相比，使用 5 年的晶體表現出的老化引起的頻率變化要小得多。  

總頻率誤差

將上述三個指標貢獻的誤差相加即可得到晶體的總容差，即頻率容差、頻率穩定性和老化。該總最大容差有時稱為總穩定性，如圖 7 所示。 

圖 7.總體穩定性的組成部分

例如，頻率公差為±10 ppm，在-40°C至+85°C的溫度范圍內，頻率穩定性為±20 ppm，第一年的老化度為±3 ppm；我們預計在指定條件下的總頻率誤差為 ±33 ppm。 

根據總頻率誤差，我們可以確定給定的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 的載波頻率出現類似偏差。我們可以使用總頻率誤差來確定給定的晶振是否能夠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 的晶體不能用于 802.15.4 射頻產品。但是，相同的晶體可用于藍牙低功耗應用。