【導(dǎo)讀】實(shí)際上，每個(gè)電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行都依賴于準(zhǔn)確的時(shí)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(jì)時(shí)解決方案。作為一種機(jī)電設(shè)備，石英晶體不像其他無(wú)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(gè)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(shí)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(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(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(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(wěn)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(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(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(jī)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(dǎo)致其頻率發(fā)生變化。
在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)，我們不能依靠頻率公差規(guī)范來(lái)確定定時(shí)精度，尤其是當(dāng)系統(tǒng)要暴露在極端溫度條件下時(shí)。例如，對(duì)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法滿足目標(biāo)時(shí)序預(yù)算。
溫度響應(yīng)取決于晶體切割類(lèi)型
晶體的頻率與溫度曲線取決于制造過(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(wěn)定性曲線（圖1），而B(niǎo)T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(duì)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。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(jì)時(shí)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(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(duì)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(lèi)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(jiàn)值為±20 ppm，±50 ppm和±100 ppm。同樣，可以訂購(gòu)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(duì)于所有晶體來(lái)說(shuō)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(guò)程和成本過(guò)高的產(chǎn)品。
過(guò)度驅(qū)動(dòng)晶體的溫度響應(yīng)
晶體中可安全耗散的功率有一個(gè)上限。這在器件數(shù)據(jù)表中被指定為驅(qū)動(dòng)水平，在微瓦到毫瓦范圍內(nèi)。這里，我們只提一下超過(guò)最大驅(qū)動(dòng)電平會(huì)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(dòng)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(duì)于500μW的過(guò)度驅(qū)動(dòng)晶體，我們會(huì)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(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(jī)制。例如，晶體在安裝在PCB上時(shí)可能會(huì)經(jīng)歷一些機(jī)械應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移，安裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可能會(huì)減少，導(dǎo)致共振頻率的改變。
另一個(gè)老化機(jī)制是晶體污染。隨著時(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(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(gè)影響晶體老化的因素是其驅(qū)動(dòng)水平。降低驅(qū)動(dòng)水平可以減少老化的影響。一個(gè)過(guò)度驅(qū)動(dòng)的晶體在一個(gè)月內(nèi)所經(jīng)歷的老化效應(yīng)可能與一個(gè)在額定功率水平下驅(qū)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(qǐng)注意，老化圖并不總是一個(gè)平滑的函數(shù)，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)不同的老化機(jī)制存在時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)老化方向的逆轉(zhuǎn)。此外，注意老化效果隨著時(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(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(guò)將上述三個(gè)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(gè)總的最大公差有時(shí)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(jì)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(gè)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(huì)導(dǎo)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足一個(gè)應(yīng)用的時(shí)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(duì)于藍(lán)牙低能量，有一個(gè)更嚴(yán)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(lán)牙低能耗應(yīng)用。
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