本文深入探討了用于表征石英晶體諧振頻率偏差的三個(gè)重要指標：頻率容限，頻率穩定性和老化。

 

頻率公差

 

頻率容差指定在25°C時(shí)與標稱(chēng)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(shí)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。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。

 

頻率穩定度

 

頻率容忍度表征了器件在25°C時(shí)的生產(chǎn)容忍度，而頻率穩定度指標則規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？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(huì )導致其頻率發(fā)生變化。

 

在設計電子電路時(shí)，我們不能依靠頻率公差規范來(lái)確定定時(shí)精度，尤其是當系統要暴露在極端溫度條件下時(shí)。例如，對于經(jīng)常被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可能會(huì )導致系統無(wú)法滿(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)型是指切割石英棒以產(chǎn)生晶體晶片的角度。AT切割晶體具有立方溫度穩定性曲線(xiàn)（圖1），而B(niǎo)T切割晶體具有拋物線(xiàn)曲線(xiàn)（圖2）。

 

 

從圖1和2中，我們觀(guān)察到AT切割晶體在其工作溫度范圍內具有相對較小的頻率變化。從另一個(gè)角度來(lái)看，也需要AT切割晶體的溫度曲線(xiàn)。如圖2所示，BT-cut的諧振頻率在室溫的任一側均低于其標稱(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。如果在計時(shí)應用中使用該晶體，則AT切割的這一功能可導致更高的精度，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，還有許多其他的裁切類(lèi)型，例如XY裁切，SC裁切和IT裁切。每種剪切類(lèi)型可以提供不同的功能集。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。

 

在特定溫度范圍內，頻率穩定性的一些常見(jiàn)值為±20 ppm，±50 ppm和±100 ppm。同樣，可以訂購具有出色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，除了最苛刻的應用之外，這種晶體對于所有晶體來(lái)說(shuō)都非常昂貴。圖3顯示了嚴格的穩定性要求如何限制切削角度的選擇。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)度驅動(dòng)晶體的溫度響應

 

晶體中可安全耗散的功率有一個(gè)上限。這在器件數據表中被指定為驅動(dòng)水平，在微瓦到毫瓦范圍內。這里，我們只提一下超過(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顯示了一些晶體在適當的驅動(dòng)電平（本例中為10微瓦）下的頻率與溫度曲線(xiàn)?？梢杂^(guān)察到諧振頻率的平滑變化。

 

 

然而，對于500μW的過(guò)度驅動(dòng)晶體，我們會(huì )有不穩定的溫度反應，如圖5所示。

 

 

老化效應

 

可悲的是，水晶也會(huì )像我們一樣老化! 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 )經(jīng)歷一些機械應力。隨著(zhù)時(shí)間的推移，安裝結構的應力可能會(huì )減少，導致共振頻率的改變。

 

另一個(gè)老化機制是晶體污染。隨著(zhù)時(shí)間的推移，微小的灰塵碎片要么掉下來(lái)，要么掉到石英表面，導致晶體質(zhì)量的變化，從而導致其諧振頻率的變化。另一個(gè)影響晶體老化的因素是其驅動(dòng)水平。降低驅動(dòng)水平可以減少老化的影響。一個(gè)過(guò)度驅動(dòng)的晶體在一個(gè)月內所經(jīng)歷的老化效應可能與一個(gè)在額定功率水平下驅動(dòng)的1年的晶體一樣多。圖6顯示了一個(gè)典型的老化圖。

 

 

請注意，老化圖并不總是一個(gè)平滑的函數，當兩個(gè)或多個(gè)不同的老化機制存在時(shí)，可能會(huì )出現老化方向的逆轉。此外，注意老化效果隨著(zhù)時(shí)間的推移而減少。大部分的老化發(fā)生在第一年。例如，一個(gè)5歲的晶體與一個(gè)1歲的晶體相比，表現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(guò)將上述三個(gè)規格的誤差相加而得到，即頻率公差、頻率穩定性和老化。這個(gè)總的最大公差有時(shí)被稱(chēng)為總穩定性，如圖7所示。

 

 

例如，頻率公差為±10 ppm，在-40 °C至+85 °C的溫度范圍內頻率穩定性為±20 ppm，第一年的老化為±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，我們可以確定一個(gè)給定的晶體是否能滿(mǎn)足應用的要求。例如，晶體頻率的偏差會(huì )導致射頻ASIC的載波頻率的類(lèi)似偏差。我們可以使用總的頻率誤差來(lái)確定一個(gè)給定的晶體是否能滿(mǎn)足一個(gè)應用的時(shí)鐘精度要求。以802.15.4標準為例，載波頻率的最大偏差為40ppm。然而，對于藍牙低能量，有一個(gè)更嚴格的要求，即20 ppm。因此，一個(gè)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牙低能耗應用。

 

 

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