【導(dǎo)讀】實(shí)際上，每個電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行都依賴于準(zhǔn)確的時序基準(zhǔn)。石英晶體具有高品質(zhì)因數(shù)，并提供了可靠，穩(wěn)定且具有成本效益的計時解決方案。作為一種機(jī)電設(shè)備，石英晶體不像其他無源設(shè)備（如電阻器，電容器和電感器）直觀。它們是壓電材料，可將機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成端子兩端成比例的電壓，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重要指標(biāo)：頻率容限，頻率穩(wěn)定性和老化。
頻率公差
頻率容差指定在25°C時與標(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時的實(shí)際振蕩頻率可以在32768.65536和32,767.34464 Hz之間的任何范圍內(nèi)。我們可以將這種頻率變化稱為生產(chǎn)公差，因?yàn)樗从谥圃旌徒M裝過程中的正常變化。晶體通常具有固定的公差值，其中一些典型值為±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)定度
頻率容忍度表征了器件在25°C時的生產(chǎn)容忍度，而頻率穩(wěn)定度指標(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變化。
在此示例中，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。注意，將25°C時的振蕩頻率用作參考點(diǎn)（在該溫度下偏差為零）。
您可能想知道通過什么機(jī)制溫度變化會引起諧振頻率的變化？實(shí)際上，晶體的尺寸隨溫度而略有變化。由于諧振頻率取決于晶體尺寸，因此溫度變化會導(dǎo)致其頻率發(fā)生變化。
在設(shè)計電子電路時，我們不能依靠頻率公差規(guī)范來確定定時精度，尤其是當(dāng)系統(tǒng)要暴露在極端溫度條件下時。例如，對于經(jīng)常被留在熱子中的便攜式設(shè)備或在阿拉斯加運(yùn)行的系統(tǒng)，忽略晶體頻率穩(wěn)定性可能會導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足目標(biāo)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產(chǎn)生晶體晶片的角度。AT切割晶體具有立方溫度穩(wěn)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2中，我們觀察到AT切割晶體在其工作溫度范圍內(nèi)具有相對較小的頻率變化。從另一個角度來看，也需要AT切割晶體的溫度曲線。如圖2所示，BT-cut的諧振頻率在室溫的任一側(cè)均低于其標(biāo)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(biāo)稱值，而低于25°C以上的標(biāo)稱值。如果在計時應(yīng)用中使用該晶體，則AT切割的這一功能可導(dǎo)致更高的精度，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，還有許多其他的裁切類型，例如XY裁切，SC裁切和IT裁切。每種剪切類型可以提供不同的功能集。溫度性能，對機(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)。
在特定溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定性的一些常見值為±20 ppm，±50 ppm和±100 ppm。同樣，可以訂購具有出色頻率穩(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，除了最苛刻的應(yīng)用之外，這種晶體對于所有晶體來說都非常昂貴。圖3顯示了嚴(yán)格的穩(wěn)定性要求如何限制切削角度的選擇。這導(dǎo)致具有挑戰(zhàn)性的制造過程和成本過高的產(chǎn)品。
過度驅(qū)動晶體的溫度響應(yīng)
晶體中可安全耗散的功率有一個上限。這在器件數(shù)據(jù)表中被指定為驅(qū)動水平，在微瓦到毫瓦范圍內(nèi)。這里，我們只提一下超過最大驅(qū)動電平會如何顯著降低晶體頻率穩(wěn)定性。圖4顯示了一些晶體在適當(dāng)?shù)尿?qū)動電平（本例中為10微瓦）下的頻率與溫度曲線。可以觀察到諧振頻率的平滑變化。
然而，對于500μW的過度驅(qū)動晶體，我們會有不穩(wěn)定的溫度反應(yīng)，如圖5所示。
老化效應(yīng)
可悲的是，水晶也會像我們一樣老化! 老化會影響晶體的諧振頻率。有幾種不同的老化機(jī)制。例如，晶體在安裝在PCB上時可能會經(jīng)歷一些機(jī)械應(yīng)力。隨著時間的推移，安裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可能會減少，導(dǎo)致共振頻率的改變。
另一個老化機(jī)制是晶體污染。隨著時間的推移，微小的灰塵碎片要么掉下來，要么掉到石英表面，導(dǎo)致晶體質(zhì)量的變化，從而導(dǎo)致其諧振頻率的變化。另一個影響晶體老化的因素是其驅(qū)動水平。降低驅(qū)動水平可以減少老化的影響。一個過度驅(qū)動的晶體在一個月內(nèi)所經(jīng)歷的老化效應(yīng)可能與一個在額定功率水平下驅(qū)動的1年的晶體一樣多。圖6顯示了一個典型的老化圖。
請注意，老化圖并不總是一個平滑的函數(shù)，當(dāng)兩個或多個不同的老化機(jī)制存在時，可能會出現(xiàn)老化方向的逆轉(zhuǎn)。此外，注意老化效果隨著時間的推移而減少。大部分的老化發(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，表現(xiàn)出小得多的老化引起的頻率變化。
總的頻率誤差
晶體的總公差可以通過將上述三個規(guī)格的誤差相加而得到，即頻率公差、頻率穩(wěn)定性和老化。這個總的最大公差有時被稱為總穩(wěn)定性，如圖7所示。
例如，頻率公差為±10 ppm，在-40 °C至+85 °C的溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定性為±20 ppm，第一年的老化為±3 ppm；我們預(yù)計在指定條件下的總頻率誤差為±33 ppm。
根據(jù)總頻率誤差，我們可以確定一個給定的晶體是否能滿足應(yīng)用的要求。例如，晶體頻率的偏差會導(dǎo)致射頻ASIC的載波頻率的類似偏差。我們可以使用總的頻率誤差來確定一個給定的晶體是否能滿足一個應(yīng)用的時鐘精度要求。以802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為例，載波頻率的最大偏差為40ppm。然而，對于藍(lán)牙低能量，有一個更嚴(yán)格的要求，即20 ppm。因此，一個總頻率誤差為±30 ppm的晶體不能用于802.15.4射頻產(chǎn)品。然而，同樣的晶體可以用于藍(lán)牙低能耗應(yīng)用。
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