频率容差、频率稳定性和老化

2021-05-31

频率容差、频率稳定性和老化

几乎每个电子系统的可靠运行都依赖于准确的计时参考。石英晶体具有很高的品质因数，可提供可靠、稳定且具有成本效益的时序解决方案。作为一种机电设备，石英晶体不像其他无源设备（如电阻器、电容器和电感器）那样直观。它们是压电材料，将机械变形转换为端子上的成比例电压，反之亦然。

频率容差

频率容差指定 25 °C 时与标称晶振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 时的实际振荡频率可以介于 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，因为它源于制造和组装过程中的正常变化。晶体通常具有固定容差值，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容差的晶体，例如 ±5 ppm 晶体，但定制晶体更贵。 

频率稳定性

虽然频率容差表征了 25 °C 下的器件生产容差，但频率稳定性指标指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

在此示例中，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。注意，将25°C时的振荡频率用作参考点（在该温度下偏差为零）。 

您可能想知道通过什么机制温度变化会引起谐振频率的变化？事实上，晶体的大小随温度略有变化。由于谐振频率取决于晶体尺寸，温度变化会导致其频率发生变化。 

在设计电子电路时，我们不能依赖频率容限规范来确定时序精度，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。切割类型是指切割石英条以创建水晶晶片的角度。AT 切割晶体具有三次温度稳定性曲线（图 1），而 BT 切割晶体具有抛物线曲线（图 2）。 

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，在室温两侧，BT-cut 的谐振频率低于其标称值。这与所示的AT切割曲线（图1）相反，在该曲线中，振荡频率高于25°C以下的标称值，而低于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，还有很多其他的切割类型，如XY-cut、SC-cut和IT-cut。每种切割类型都可以提供一组不同的功能。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。

在指定的温度范围内，频率稳定性的一些常见值是 ±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 范围内为 ±10 ppm；然而，这种晶体对于除最苛刻的应用之外的所有应用来说都将是非常昂贵的。图 3 显示了严格的稳定性要求如何限制切割角度的选择。这导致具有挑战性的制造过程和成本过高的产品。

过驱动晶体的温度响应

晶体中可以安全耗散的功率是有上限的。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 显示了一些具有适当驱动电平（本例中为 10 µW）的晶体的频率与温度曲线。可以观察到谐振频率的平滑变化。

然而，当过驱动晶体为 500 μW 时，我们将出现不稳定的温度响应，如图 5 所示。

老化效应

可悲的是，晶体和我们一样老化！老化会影响晶体的谐振频率。有几种不同的老化机制。例如，晶体在安装在 PCB 上时可能会受到一些机械应力。随着时间的推移，来自安装结构的应力可能会降低并导致谐振频率发生变化。

另一个老化机制是晶体污染。随着时间的推移，微小的灰尘碎片会掉落或落在石英表面上，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电平。降低驱动电平可以减少老化效应。过驱动晶体在一个月内经历的老化效应可能与以额定功率水平驱动的 1 年旧晶体一样多。图 6 显示了典型的老化图。 

请注意，老化图并不总是一个平滑的函数，当存在两种或多种不同的老化机制时，老化方向可能会发生逆转。此外，请注意老化效果会随着时间的推移而减弱。大多数老化发生在第一年。例如，与使用 1 年的晶体相比，使用 5 年的晶体表现出的老化引起的频率变化要小得多。  

总频率误差

将上述三个指标贡献的误差相加即可得到晶体的总容差，即频率容差、频率稳定性和老化。该总最大容差有时称为总稳定性，如图 7 所示。 

图 7.总体稳定性的组成部分

例如，频率公差为±10 ppm，在-40°C至+85°C的温度范围内，频率稳定性为±20 ppm，第一年的老化度为±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，我们可以确定给定的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偏差。我们可以使用总频率误差来确定给定的晶振是否能够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 的晶体不能用于 802.15.4 射频产品。但是，相同的晶体可用于蓝牙低功耗应用。