【導讀】實際上，每個電子系統的可靠運行都依賴于準確的時序基準。石英晶體具有高品質因數，并提供了可靠，穩定且具有成本效益的計時解決方案。作為一種機電設備，石英晶體不像其他無源設備（如電阻器，電容器和電感器）直觀。它們是壓電材料，可將機械變形轉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重要指標：頻率容限，頻率穩定性和老化。
頻率公差
頻率容差指定在25°C時與標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時的實際振蕩頻率可以在32768.65536和32,767.34464 Hz之間的任何范圍內。我們可以將這種頻率變化稱為生產公差，因為它源于制造和組裝過程中的正常變化。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。
頻率穩定度
頻率容忍度表征了器件在25°C時的生產容忍度，而頻率穩定度指標則規定了工作溫度范圍內的最大頻率變化。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的溫度范圍內表現出約±12 ppm的最大頻率變化。注意，將25°C時的振蕩頻率用作參考點（在該溫度下偏差為零）。
您可能想知道通過什么機制溫度變化會引起諧振頻率的變化？實際上，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，因此溫度變化會導致其頻率發生變化。
在設計電子電路時，我們不能依靠頻率公差規范來確定定時精度，尤其是當系統要暴露在極端溫度條件下時。例如，對于經常被留在熱子中的便攜式設備或在阿拉斯加運行的系統，忽略晶體頻率穩定性可能會導致系統無法滿足目標時序預算。
溫度響應取決于晶體切割類型
晶體的頻率與溫度曲線取決于制造過程中使用的切割類型。切割類型是指切割石英棒以產生晶體晶片的角度。AT切割晶體具有立方溫度穩定性曲線（圖1），而BT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具有相對較小的頻率變化。從另一個角度來看，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均低于其標稱值。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以下的標稱值，而低于25°C以上的標稱值。如果在計時應用中使用該晶體，則AT切割的這一功能可導致更高的精度，因為溫度變化產生的誤差可以平均為零。由于其優越的溫度特性，AT 切割晶體是使用最廣泛的晶體類型之一。
值得一提的是，還有許多其他的裁切類型，例如XY裁切，SC裁切和IT裁切。每種剪切類型可以提供不同的功能集。溫度性能，對機械應力的敏感性，給定標稱頻率的尺寸，阻抗，老化和成本是受切割類型影響的一些參數。
在特定溫度范圍內，頻率穩定性的一些常見值為±20 ppm，±50 ppm和±100 ppm。同樣，可以訂購具有出色頻率穩定性的定制晶體，例如在-40°C至+85°C范圍內為±10 ppm；然而，除了最苛刻的應用之外，這種晶體對于所有晶體來說都非常昂貴。圖3顯示了嚴格的穩定性要求如何限制切削角度的選擇。這導致具有挑戰性的制造過程和成本過高的產品。
過度驅動晶體的溫度響應
晶體中可安全耗散的功率有一個上限。這在器件數據表中被指定為驅動水平，在微瓦到毫瓦范圍內。這里，我們只提一下超過最大驅動電平會如何顯著降低晶體頻率穩定性。圖4顯示了一些晶體在適當的驅動電平（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，對于500μW的過度驅動晶體，我們會有不穩定的溫度反應，如圖5所示。
老化效應
可悲的是，水晶也會像我們一樣老化! 老化會影響晶體的諧振頻率。有幾種不同的老化機制。例如，晶體在安裝在PCB上時可能會經歷一些機械應力。隨著時間的推移，安裝結構的應力可能會減少，導致共振頻率的改變。
另一個老化機制是晶體污染。隨著時間的推移，微小的灰塵碎片要么掉下來，要么掉到石英表面，導致晶體質量的變化，從而導致其諧振頻率的變化。另一個影響晶體老化的因素是其驅動水平。降低驅動水平可以減少老化的影響。一個過度驅動的晶體在一個月內所經歷的老化效應可能與一個在額定功率水平下驅動的1年的晶體一樣多。圖6顯示了一個典型的老化圖。
請注意，老化圖并不總是一個平滑的函數，當兩個或多個不同的老化機制存在時，可能會出現老化方向的逆轉。此外，注意老化效果隨著時間的推移而減少。大部分的老化發生在第一年。例如，一個5歲的晶體與一個1歲的晶體相比，表現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將上述三個規格的誤差相加而得到，即頻率公差、頻率穩定性和老化。這個總的最大公差有時被稱為總穩定性，如圖7所示。
例如，頻率公差為±10 ppm，在-40 °C至+85 °C的溫度范圍內頻率穩定性為±20 ppm，第一年的老化為±3 ppm；我們預計在指定條件下的總頻率誤差為±33 ppm。
根據總頻率誤差，我們可以確定一個給定的晶體是否能滿足應用的要求。例如，晶體頻率的偏差會導致射頻ASIC的載波頻率的類似偏差。我們可以使用總的頻率誤差來確定一個給定的晶體是否能滿足一個應用的時鐘精度要求。以802.15.4標準為例，載波頻率的最大偏差為40ppm。然而，對于藍牙低能量，有一個更嚴格的要求，即20 ppm。因此，一個總頻率誤差為±30 ppm的晶體不能用于802.15.4射頻產品。然而，同樣的晶體可以用于藍牙低能耗應用。
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