描述石英晶体频率偏差：频率容差、频率稳定性和老化

了解石英晶体频率偏差的一些最重要的特性。

几乎每个电子系统的可靠运行都依赖于精确的定时参考。 石英晶体具有高品质因数，提供可靠、稳定且经济实惠的定时解决方案。作为机电设备，石英晶体不像电阻、电容和电感等其他无源器件那样直观。它们是压电材料，能够将机械变形转换为端子间的比例电压，反之亦然。

本文将深入讨论三个用于表征石英晶体谐振频率偏差的重要指标：频率容差、频率稳定性和老化。

频率容差

频率容差是指在 25°C 时，晶体标称频率的最大偏差。例如，一个 32768 Hz 的晶体具有±20 ppm 的频率容差。该晶体在 25°C 时的实际振荡频率可以在 32768.65536 Hz 到 32,767.34464 Hz 之间。我们可以将这种频率变化称为生产容差，因为它源于制造和装配过程中的正常变化。晶体通常以固定的容差值提供，典型值有±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 的晶体，但定制晶体更昂贵。

频率稳定性

虽然频率容差表征了 25°C 时的设备生产容差，但频率稳定性指标指定了在工作温度范围内的最大频率变化。图 1 显示了典型 AT 切晶体的频率随温度的变化。

图 1。 图片由 NXP 提供。

在此示例中，该设备在-40°C 至+85°C 的温度范围内表现出约±12 ppm 的最大频率变化。请注意，25°C 时的振荡频率用作参考点（在该温度下偏差为零）。

您可能会想，温度变化是如何导致谐振频率变化的？实际上，晶体的尺寸会随着温度的变化而轻微变化。由于谐振频率取决于晶体尺寸，温度变化会导致其频率变化。

在设计电子电路时，我们不能仅依赖频率公差规格来确定时序精度，尤其是在系统将暴露于极端温度条件时。例如，对于经常被遗留在炎热阳光下或阿拉斯加运行的便携式设备，忽视晶体频率稳定性可能会导致系统无法满足目标时序预算。

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棒以创建晶体薄片的角。虽然 AT 切割晶体表现出立方的温度稳定性曲线（图 1），但 BT 切割晶体具有抛物线曲线（图 2）。

图 2。 图片由 Epson 提供。

从图 1 和图 2 中，我们观察到 AT 切晶体的频率变化在其工作温度范围内相对较小。从另一个角度来看，AT 切晶体的温度曲线也是令人期望的。如图 2 所示，BT 切晶体的谐振频率在室温两侧都低于其标称值。这与图 1 中描绘的 AT 切曲线形成对比，在 25℃以下，振荡频率高于标称值，而在 25℃以上，振荡频率低于标称值。如果晶体用于计时应用，AT 切的这种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。由于它们卓越的温度特性，AT 切晶体是使用最广泛的晶体类型之一。

值得一提的是，还有许多其他切割类型，如 XY 切、SC 切和 IT 切。每种切割类型都可以提供一套不同的特性。温度性能、对机械应力的敏感性、给定标称频率的尺寸、阻抗、老化成本是一些受切割类型影响的参数。

频率稳定性的常见值在特定温度范围内为±20 ppm、±50 ppm 和±100 ppm。同样，可以订购具有更高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，对于除最高要求的应用之外的所有应用，这种晶体将极其昂贵。图 3 显示了严格的稳定性要求如何限制切割角的选择。这导致了一个具有挑战性的制造过程和成本高昂的产品。

图 3。 图片由 IQD 频率产品 提供。

晶体的温度响应

晶体可以安全耗散的功率有一个上限。这被指定为设备数据表中的驱动电平，范围在微瓦到毫瓦之间。在本文系列的后续文章中，我们将详细讨论驱动电平指标。

在这里，我想只是提一下超过最大驱动电平如何显著降低晶体频率稳定性。图 4 显示了某些晶体在适当驱动电平（例如 10 µW）下的频率与温度曲线。可以观察到谐振频率的平滑变化。

图 4。 图片由 Raltron 提供。

然而，在 500 μW 的过驱动晶体下，我们将出现如图 5 所示的温度响应异常。

图 5。 图片由 Raltron 提供。

老化效应

遗憾的是，晶体也会像我们一样老化！老化会影响晶体的谐振频率。有多种不同的老化机制。例如，当晶体安装在 PCB 上时，它可能会受到一些机械应力。随着时间的推移，安装结构的应力可能会减弱，从而导致谐振频率发生变化。

另一种老化机制是晶体污染。随着时间的推移，微小的尘埃颗粒会从石英表面脱落或落上，导致晶体质量发生变化，进而导致其谐振频率发生变化。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。一个过驱动的晶体在一个月内经历的老化效应，可能相当于一个已驱动1年且在额定功率电平下工作的晶体。图6显示了典型的老化曲线。 

图 6。 图片由 周辉 提供。

注意到老化曲线不总是平滑的函数，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，请注意老化效应随时间减弱。大部分老化发生在第一年。例如，一个5岁的晶体与一个1岁的晶体相比，老化引起的频率变化要小得多。

总频率误差

晶体的总容差可以通过将上述三个规格引起的误差相加得到，即频率容差、频率稳定性和老化。这个总最大容差有时也被称为总稳定性，如图7所示。

图 7。 总稳定性的组成部分。图片由硅易 labs 提供。

例如，具有±10 ppm 的频率容差、在-40°C 至+85°C 温度范围内的±20 ppm 频率稳定性以及第一年的±3 ppm 老化；我们预计在指定条件下总频率误差为±33 ppm。

基于总频率误差，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 ASICs 载波频率的类似偏差。我们可以使用总频率误差来确定给定的晶体是否能够满足应用的时钟精度要求。以 802.15.4 标准为例，载波频率的最大偏差为 40 ppm。然而，对于蓝牙低功耗，要求更严格，为 20 ppm。因此，总频率误差为±30 ppm 的晶体可用于 802.15.4 射频产品。但是，相同的晶体不能用于蓝牙低功耗应用。在下一篇文章中，我们将继续讨论影响晶体输出频率稳定性和可靠性的其他重要参数。

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