表征石英晶体谐振频率偏差的三个重要指标

品慧电子讯实际上，每个电子系统的可靠运行都依赖于准确的时序基准。石英晶体具有高品质因数，并提供了可靠，稳定且具有成本效益的计时解决方案。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）直观。它们是压电材料，可将机械变形转换成端子两端成比例的电压，反之亦然。

本文深入探讨了用于表征石英晶体谐振频率偏差的三个重要指标：频率容限，频率稳定性和老化。

频率公差

频率容差指定在25°C时与标称晶体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在32768.65536和32,767.34464 Hz之间的任何范围内。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。晶体通常具有固定的公差值，其中一些典型值为±20 ppm，±50 ppm和±100 ppm。虽然可以要求具有特定频率公差的晶体，例如±5 ppm晶体，但定制晶体更昂贵。

频率稳定度

频率容忍度表征了器件在25°C时的生产容忍度，而频率稳定度指标则规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？实际上，晶体的尺寸随温度而略有变化。由于谐振频率取决于晶体尺寸，因此温度变化会导致其频率发生变化。

在设计电子电路时，我们不能依靠频率公差规范来确定定时精度，尤其是当系统要暴露在极端温度条件下时。例如，对于经常被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产生晶体晶片的角度。AT切割晶体具有立方温度稳定性曲线（图1），而BT切割晶体具有抛物线曲线（图2）。

从图1和2中，我们观察到AT切割晶体在其工作温度范围内具有相对较小的频率变化。从另一个角度来看，也需要AT切割晶体的温度曲线。如图2所示，BT-cut的谐振频率在室温的任一侧均低于其标称值。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。如果在计时应用中使用该晶体，则AT切割的这一功能可导致更高的精度，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，还有许多其他的裁切类型，例如XY裁切，SC裁切和IT裁切。每种剪切类型可以提供不同的功能集。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。

在特定温度范围内，频率稳定性的一些常见值为±20 ppm，±50 ppm和±100 ppm。同样，可以订购具有出色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，除了最苛刻的应用之外，这种晶体对于所有晶体来说都非常昂贵。图3显示了严格的稳定性要求如何限制切削角度的选择。这导致具有挑战性的制造过程和成本过高的产品。

过度驱动晶体的温度响应

晶体中可安全耗散的功率有一个上限。这在器件数据表中被指定为驱动水平，在微瓦到毫瓦范围内。这里，我们只提一下超过最大驱动电平会如何显著降低晶体频率稳定性。图4显示了一些晶体在适当的驱动电平（本例中为10微瓦）下的频率与温度曲线。可以观察到谐振频率的平滑变化。

然而，对于500μW的过度驱动晶体，我们会有不稳定的温度反应，如图5所示。

老化效应

可悲的是，水晶也会像我们一样老化! 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上时可能会经历一些机械应力。随着时间的推移，安装结构的应力可能会减少，导致共振频率的改变。

另一个老化机制是晶体污染。随着时间的推移，微小的灰尘碎片要么掉下来，要么掉到石英表面，导致晶体质量的变化，从而导致其谐振频率的变化。另一个影响晶体老化的因素是其驱动水平。降低驱动水平可以减少老化的影响。一个过度驱动的晶体在一个月内所经历的老化效应可能与一个在额定功率水平下驱动的1年的晶体一样多。图6显示了一个典型的老化图。

请注意，老化图并不总是一个平滑的函数，当两个或多个不同的老化机制存在时，可能会出现老化方向的逆转。此外，注意老化效果随着时间的推移而减少。大部分的老化发生在第一年。例如，一个5岁的晶体与一个1岁的晶体相比，表现出小得多的老化引起的频率变化。

总的频率误差

晶体的总公差可以通过将上述三个规格的误差相加而得到，即频率公差、频率稳定性和老化。这个总的最大公差有时被称为总稳定性，如图7所示。

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，我们可以确定一个给定的晶体是否能满足应用的要求。例如，晶体频率的偏差会导致射频ASIC的载波频率的类似偏差。我们可以使用总的频率误差来确定一个给定的晶体是否能满足一个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40ppm。然而，对于蓝牙低能量，有一个更严格的要求，即20 ppm。因此，一个总频率误差为±30 ppm的晶体不能用于802.15.4射频产品。然而，同样的晶体可以用于蓝牙低能耗应用。

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