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

几乎每个電(diàn)子系统的可(kě)靠运行都依赖于准确的计时参考。石英晶體(tǐ)具有(yǒu)很(hěn)高的品质因数，可(kě)提供可(kě)靠、稳定且具有(yǒu)成本效益的时序解决方案。作為(wèi)一种机電(diàn)设备，石英晶體(tǐ)不像其他(tā)无源设备（如電(diàn)阻器、電(diàn)容器和電(diàn)感器）那样直观。它们是压電(diàn)材料，将机械变形转换為(wèi)端子上的成比例電(diàn)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，考虑频率容差為(wèi) ±20 ppm 的 32768 Hz 晶體(tǐ)。该晶體(tǐ)在 25 °C 时的实际振荡频率可(kě)以介于 32768.65536 和 32,767.34464 Hz 之间。我们可(kě)以将这种频率变化称為(wèi)生产公差，因為(wèi)它源于制造和组装过程中的正常变化。晶體(tǐ)通常具有(yǒu)固定容差值，一些典型值為(wèi) ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。虽然可(kě)以要求具有(yǒu)特定频率容差的晶體(tǐ)，例如 ±5 ppm 晶體(tǐ)，但定制晶體(tǐ)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 切割晶體(tǐ)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(yòng)作参考点（在该温度下偏差為(wèi)零）。 

您可(kě)能(néng)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，晶體(tǐ)的大小(xiǎo)随温度略有(yǒu)变化。由于谐振频率取决于晶體(tǐ)尺寸，温度变化会导致其频率发生变化。 

在设计電(diàn)子電(diàn)路时，我们不能(néng)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，忽略晶體(tǐ)频率稳定性会阻止系统满足目标时序预算。 

温度响应取决于晶體(tǐ)切割类型

晶體(tǐ)的频率与温度曲線(xiàn)取决于制造过程中使用(yòng)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 切割晶體(tǐ)具有(yǒu)三次温度稳定性曲線(xiàn)（图 1），而 BT 切割晶體(tǐ)具有(yǒu)抛物(wù)線(xiàn)曲線(xiàn)（图 2）。 

从图 1 和图 2 中，我们观察到 AT 切割晶體(tǐ)在其工作温度范围内的频率变化相对较小(xiǎo)。从另一个角度来看，AT切割晶體(tǐ)的温度曲線(xiàn)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切割曲線(xiàn)（图1）相反，在该曲線(xiàn)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。如果晶體(tǐ)用(yòng)于计时应用(yòng)，AT-cut 的这一特性可(kě)以带来更高的精度，因為(wèi)温度变化产生的误差可(kě)以平均為(wèi)零。由于其优越的温度特性，AT 切割晶體(tǐ)是使用(yòng)最广泛的晶體(tǐ)类型之一。  

值得一提的是，还有(yǒu)很(hěn)多(duō)其他(tā)的切割类型，如XY-cut、SC-cut和IT-cut。每种切割类型都可(kě)以提供一组不同的功能(néng)。温度性能(néng)、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(kě)以订購(gòu)具有(yǒu)卓越频率稳定性的定制晶體(tǐ)，例如在 -40 °C 至 +85 °C 范围内為(wèi) ±10 ppm；然而，这种晶體(tǐ)对于除最苛刻的应用(yòng)之外的所有(yǒu)应用(yòng)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(yǒu)挑战性的制造过程和成本过高的产品。

过驱动晶體(tǐ)的温度响应

晶體(tǐ)中可(kě)以安全耗散的功率是有(yǒu)上限的。这在器件数据表中指定為(wèi)驱动電(diàn)平，在微瓦到毫瓦范围内。在本系列的下一篇文(wén)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電(diàn)平会如何显着降低晶體(tǐ)频率稳定性。图 4 显示了一些具有(yǒu)适当驱动電(diàn)平（本例中為(wèi) 10 µW）的晶體(tǐ)的频率与温度曲線(xiàn)。可(kě)以观察到谐振频率的平滑变化。

然而，当过驱动晶體(tǐ)為(wèi) 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(kě)悲的是，晶體(tǐ)和我们一样老化！老化会影响晶體(tǐ)的谐振频率。有(yǒu)几种不同的老化机制。例如，晶體(tǐ)在安装在 PCB 上时可(kě)能(néng)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(kě)能(néng)会降低并导致谐振频率发生变化。

另一个老化机制是晶體(tǐ)污染。随着时间的推移，微小(xiǎo)的灰尘碎片会掉落或落在石英表面上，导致晶體(tǐ)质量发生变化，从而导致其共振频率发生变化。影响晶體(tǐ)老化的另一个因素是其驱动電(diàn)平。降低驱动電(diàn)平可(kě)以减少老化效应。过驱动晶體(tǐ)在一个月内经历的老化效应可(kě)能(néng)与以额定功率水平驱动的 1 年旧晶體(tǐ)一样多(duō)。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(duō)种不同的老化机制时，老化方向可(kě)能(néng)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(duō)数老化发生在第一年。例如，与使用(yòng) 1 年的晶體(tǐ)相比，使用(yòng) 5 年的晶體(tǐ)表现出的老化引起的频率变化要小(xiǎo)得多(duō)。  

总频率误差

将上述三个指标贡献的误差相加即可(kě)得到晶體(tǐ)的总容差，即频率容差、频率稳定性和老化。该总最大容差有(yǒu)时称為(wèi)总稳定性，如图 7 所示。 

图 7.总體(tǐ)稳定性的组成部分(fēn)

例如，频率公差為(wèi)±10 ppm，在-40°C至+85°C的温度范围内，频率稳定性為(wèi)±20 ppm，第一年的老化度為(wèi)±3 ppm；我们预计在指定条件下的总频率误差為(wèi) ±33 ppm。 

根据总频率误差，我们可(kě)以确定给定的晶體(tǐ)是否能(néng)够满足应用(yòng)的要求。例如，晶體(tǐ)频率偏差会导致 RF ASIC 的载波频率出现类似偏差。我们可(kě)以使用(yòng)总频率误差来确定给定的晶振是否能(néng)够满足应用(yòng)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為(wèi) 40 ppm。但是，对于低功耗蓝牙，有(yǒu)更严格的 20 ppm 要求。因此，总频率误差為(wèi) ±30 ppm 的晶體(tǐ)不能(néng)用(yòng)于 802.15.4 射频产品。但是，相同的晶體(tǐ)可(kě)用(yòng)于蓝牙低功耗应用(yòng)。