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(gè)電子系統的可靠運行都依賴(lài)于準確的計時(shí)參考。石英晶體具有很高的品質(zhì)因數，可提供可靠、穩定且具有成本效益的時(shí)序解決方案。作為一種機電設備，石英晶體不像其他無(wú)源設備（如電阻器、電容器和電感器）那樣直觀(guān)。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(shí)與標稱(chēng)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(shí)的實(shí)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(chēng)為生產(chǎn)公差，因為它源于制造和組裝過(guò)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(chǎn)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(shí)的振蕩頻率用作參考點(diǎn)（在該溫度下偏差為零）。 

您可能想知道通過(guò)什么機制溫度變化會(huì )引起諧振頻率的變化？事實(shí)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(huì )導致其頻率發(fā)生變化。 

在設計電子電路時(shí)，我們不能依賴(lài)頻率容限規范來(lái)確定時(shí)序精度，尤其是當系統將暴露在極端溫度條件下時(shí)。例如，對于經(jīng)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(huì )阻止系統滿(mǎn)足目標時(shí)序預算。 

溫度響應取決于晶體切割類(lèi)型

晶體的頻率與溫度曲線(xiàn)取決于制造過(guò)程中使用的切割類(lèi)型。切割類(lèi)型是指切割石英條以創(chuàng )建水晶晶片的角度。AT 切割晶體具有三次溫度穩定性曲線(xiàn)（圖 1），而 BT 切割晶體具有拋物線(xiàn)曲線(xiàn)（圖 2）。 

從圖 1 和圖 2 中，我們觀(guān)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(gè)角度來(lái)看，AT切割晶體的溫度曲線(xiàn)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(chēng)值。這與所示的AT切割曲線(xiàn)（圖1）相反，在該曲線(xiàn)中，振蕩頻率高于25°C以下的標稱(chēng)值，而低于25°C以上的標稱(chēng)值。如果晶體用于計時(shí)應用，AT-cut 的這一特性可以帶來(lái)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(lèi)型之一。  

值得一提的是，還有很多其他的切割類(lèi)型，如XY-cut、SC-cut和IT-cut。每種切割類(lèi)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(chēng)頻率的尺寸、阻抗、老化和成本是受切割類(lèi)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(jiàn)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(lái)說(shuō)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(guò)程和成本過(guò)高的產(chǎn)品。

過(guò)驅動(dòng)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(dòng)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(dòng)器級別指標。

在這里，我只想提一下超過(guò)最大驅動(dòng)電平會(huì )如何顯著(zhù)降低晶體頻率穩定性。圖 4 顯示了一些具有適當驅動(dòng)電平（本例中為 10 μW）的晶體的頻率與溫度曲線(xiàn)?？梢杂^(guān)察到諧振頻率的平滑變化。

然而，當過(guò)驅動(dòng)晶體為 500 μW 時(shí)，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(huì )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(shí)可能會(huì )受到一些機械應力。隨著(zhù)時(shí)間的推移，來(lái)自安裝結構的應力可能會(huì )降低并導致諧振頻率發(fā)生變化。

另一個(gè)老化機制是晶體污染。隨著(zhù)時(shí)間的推移，微小的灰塵碎片會(huì )掉落或落在石英表面上，導致晶體質(zhì)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(gè)因素是其驅動(dòng)電平。降低驅動(dòng)電平可以減少老化效應。過(guò)驅動(dòng)晶體在一個(gè)月內經(jīng)歷的老化效應可能與以額定功率水平驅動(dòng)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(gè)平滑的函數，當存在兩種或多種不同的老化機制時(shí)，老化方向可能會(huì )發(fā)生逆轉。此外，請注意老化效果會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而減弱。大多數老化發(fā)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(gè)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(shí)稱(chēng)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(mǎn)足應用的要求。例如，晶體頻率偏差會(huì )導致 RF ASIC 的載波頻率出現類(lèi)似偏差。我們可以使用總頻率誤差來(lái)確定給定的晶振是否能夠滿(mǎn)足應用的時(shí)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(chǎn)品。但是，相同的晶體可用于藍牙低功耗應用。