表征石英晶体的频率偏差：频率容差、频率稳定性和老化

了解石英晶体频率偏差的一些最重要的特征。

几乎每个电子系统的可靠运行都依赖于精确的定时参考。 石英晶体
具有高质量因数，并提供可靠、稳定且具有成本效益的定时解决方案。 作为一种机电器件，石英晶体不像电阻器、电容器和电感器等其他无源器件那样直观。 它们是压电材料，将机械变形转换为端子上的比例电压，反之亦然。

本文深入探讨了用于表征石英晶体谐振频率偏差的三个重要指标：频率容差、频率稳定性和老化。

频率容差

频率容差指定在25°C时与标称晶体频率的最大频率偏差。 例如，考虑频率容差为 ±20 ppm 的 32768 Hz
晶体。 该晶体在25°C下的实际振荡频率可以在32768.65536和32，767.34464
Hz之间。 我们可以将这种频率变化称为生产公差，因为它源于制造和装配过程中的正常变化。 晶体通常以固定公差值提供，一些典型值为 ±20 ppm、±50 ppm 和
±100 ppm。 虽然可以要求具有特定频率公差的晶体，例如±5 ppm晶体，但定制晶体更昂贵。

频率稳定性

频率容差表征器件在 25 °C 下的生产容差，而频率稳定性指标则规定了工作温度范围内的最大频率变化。 图1显示了典型AT切割晶体的频率随温度的变化。

***图1. *图片由 恩智浦.

在本例中，该器件在-40 °C至+85 °C的温度范围内表现出约±12 ppm的最大频率变化。 请注意，25°C时的振荡频率用作参考点（在此温度下偏差为零）。

您可能想知道温度变化通过什么机制导致谐振频率的变化？ 事实上，晶体的大小会随着温度而略有变化。 由于谐振频率取决于晶体尺寸，因此温度变化会导致其频率发生变化。

在设计电子电路时，我们不能依靠频率容差规格来确定定时精度，尤其是当系统将暴露在极端温度条件下时。 例如，对于经常留在热儿子中的便携式设备或在阿拉斯加运行的系统，忽略晶体频率稳定性可能会阻止系统满足目标时序预算。

温度响应取决于晶体切割类型

晶体的频率与温度曲线取决于制造过程中使用的切割类型。 切割类型是指石英条被切割以形成晶体晶片的角度。 虽然AT切割晶体表现出立方温度稳定性曲线（图1），但BT切割晶体具有抛物线曲线（图2）。

图2. 图片由 爱普生.

从图1和图2中，我们观察到AT切割晶体在其工作温度范围内的频率变化相对较小。 从另一个角度来看，AT切割晶体的温度曲线也是需要的。 如图2所示，BT切割的谐振频率低于室温两侧的标称值。 这与所示的AT-cut曲线（图1）形成鲜明对比，其中振荡频率高于25°C以下的标称值，低于25°C以上的标称值。 如果晶体用于计时应用，AT-cut的这一特性可以带来更高的精度，因为温度变化产生的误差可以平均为零。 由于其优越的温度特性，AT切割晶体是使用最广泛的晶体类型之一。

值得一提的是，还有许多其他切割类型，例如XY切割，SC切割和IT切割。 每种切割类型都可以提供一组不同的特征。 温度性能、对机械应力的敏感性、给定标称频率的尺寸、阻抗、老化和成本是受切割类型影响的一些参数。

频率稳定性的一些常见值在指定温度范围内为 ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。 同样，可以订购具有卓越频率稳定性的定制晶体，例如在-40°C至+85°C范围内±10 ppm; 然而，除了最苛刻的应用之外，这种晶体对于所有应用来说都将非常昂贵。 图 3 显示了严格的稳定性要求如何限制切割角度的选择。 这导致了具有挑战性的制造过程和成本高昂的产品。

*图 3.图片由IQD Frequency Products提供。 *

过驱动晶体的温度响应

晶体中可以安全耗散的功率有一个上限。 这在器件数据表中指定为驱动电平，在微瓦到毫瓦范围内。 在本系列的下一篇文章中，我们将详细讨论驱动器级别指标。

在这里，我只想提一下超过最大驱动电平会如何显着降低晶体频率稳定性。 图 4 显示了具有适当驱动电平（本例中为 10 µW）的一些晶体的频率与温度曲线。 可以观察到共振频率的平滑变化。

*图 4.图片由Raltron提供。 *

但是，对于500 μW的过驱动晶体，温度响应不稳定，如图5所示。

图5. 图片由 拉创

老化效果

可悲的是，水晶和我们一样老化！ 老化会影响晶体的共振频率。 有几种不同的老化机制。 例如， 晶体在安装在PCB上时可能会遇到一些机械应力. 随着时间的推移，安装结构产生的应力可能会降低并导致谐振频率的变化。

另一种老化机制是晶体污染。 随着时间的流逝，微小的尘埃要么脱落，要么落到石英表面，导致晶体质量发生变化，从而导致其共振频率发生变化。 影响晶体老化的另一个因素是其驱动水平。 降低驱动器电平可以减少老化效应。 超驱动晶体在一个月内经历的老化效应可能与在额定功率水平下驱动的 1 年晶体的老化效应一样大。 图6显示了一个典型的老化图。

图6. 图片由 周辉

请注意，老化图并不总是平滑函数，当存在两种或多种不同的老化机制时，老化方向可能会逆转。 此外，请注意，老化效果会随着时间的推移而降低。 大多数衰老发生在第一年。 例如，与1岁的晶体相比，5岁的晶体表现出更小的老化引起的频率变化。

总频率误差

晶体的总公差可以通过将上述三个规格（即频率公差、频率稳定性和老化）贡献的误差相加来获得。 该总最大容差有时称为总稳定性，如图7所示。

图7. 总稳定性的组成部分。 图片由 硅实验室

例如，频率容差为 ±10 ppm，在 -40 °C 至 +85 °C 的温度范围内频率稳定性为 ±20 ppm，第一年老化为 ±3 ppm； 我们预计在指定条件下的总频率误差为 ±33 ppm。

根据总频率误差，我们可以确定给定晶体是否能够满足应用的要求。 例如，晶体频率偏差会导致RF ASIC的载波频率出现类似的偏差。 我们可以使用总频率误差来确定给定晶体是否可以满足应用的时钟精度要求。 例如，对于 802.15.4 标准，载波频率的最大偏差为 40 ppm。 但是，对于低功耗蓝牙，有更严格的 20 ppm 要求。 因此，总频率误差为 ±30 ppm 的晶体可以与 802.15.4 RF 产品一起使用。 但是，相同的晶体不能用于低功耗蓝牙应用。 在下一篇文章中， 我们将继续讨论，并研究影响晶体输出频率稳定性和可靠性的其他重要参数。