幾乎每個(gè)電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行都依賴于準(zhǔn)確的定時(shí)參考。石英晶體具有高品質(zhì)因數(shù)，可提供可靠、穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)高效的計(jì)時(shí)解決方案。作為一種機(jī)電器件，石英晶體不像電阻器、電容器和電感器等其他無源器件那么直觀。它們是壓電材料，將機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成其端子上的成比例電壓，反之亦然。
　　本文深入討論了用于表征石英晶體諧振頻率偏差的三個(gè)重要指標(biāo)：頻率容差、頻率穩(wěn)定性和老化。
　　頻率容差
　　頻率容差指定 25 °C 時(shí)與標(biāo)稱晶體頻率的頻率偏差。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)際振蕩頻率可以是 32768.65536 到 32,767.34464 Hz 之間的任意值。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裝過程中的正常變化。晶體通常具有固定的容差值，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容差的晶體，例如 ±5 ppm 晶體，但定制晶體更昂貴。
　　頻率穩(wěn)定性

　　雖然頻率容差表征了 25 °C 時(shí)器件的生產(chǎn)容差，但頻率穩(wěn)定性指標(biāo)指定了工作溫度范圍內(nèi)的頻率變化。圖 1 顯示了典型 AT 切割晶體的頻率隨溫度的變化。

　　圖 1.圖片由NXP提供。
　　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 的頻率變化。請注意，25°C 時(shí)的振蕩頻率用作參考點(diǎn)（在此溫度下偏差為零）。
　　您可能想知道溫度變化通過什么機(jī)制引起諧振頻率的變化？事實(shí)上，晶體的尺寸隨著溫度的變化而略有變化。由于諧振頻率取決于晶體尺寸，因此溫度變化會導(dǎo)致其頻率發(fā)生變化。
　　在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)，我們不能依靠頻率容差規(guī)范來確定定時(shí)精度，尤其是當(dāng)系統(tǒng)將暴露在極端溫度條件下時(shí)。例如，對于經(jīng)常留在熱兒子中的便攜式設(shè)備或在阿拉斯加運(yùn)行的系統(tǒng)，忽略晶體頻率穩(wěn)定性可能會導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足目標(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形成水晶晶片的角度。AT 切割晶體呈現(xiàn)立方溫度穩(wěn)定性曲線（圖 1），而 BT 切割晶體則呈現(xiàn)拋物線溫度穩(wěn)定性曲線（圖 2）。

　　圖 2.圖片由Epson提供。
　　從圖 1 和圖 2 中，我們觀察到 AT 切割晶體在其工作溫度范圍內(nèi)的頻率變化相對較小。從另一個(gè)角度來看，AT切割晶體的溫度曲線也是理想的。如圖 2 所示，BT-cut 的諧振頻率在室溫兩側(cè)均低于其標(biāo)稱值。這與所示的 AT-cut 曲線（圖 1）形成對比，其中振蕩頻率在 25 °C 以下時(shí)高于標(biāo)稱值，在 25 °C 以上時(shí)低于標(biāo)稱值。如果晶體用于計(jì)時(shí)應(yīng)用，AT-cut 的這一特性可以帶來更高的精度，因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的誤差可以平均為零。由于其卓越的溫度特性，AT 切割晶體是使用廣泛的晶體類型之一。
　　值得一提的是，還有許多其他切割類型，例如 XY 切割、SC 切割和 IT 切割。每種切割類型都可以提供不同的功能集。溫度性能、對機(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型影響的一些參數(shù)。

　　在指定溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定性的一些常見值為±20 ppm、±50 ppm 和±100 ppm。同樣，可以訂購具有卓越頻率穩(wěn)定性的定制晶體，例如在 -40 °C 至 +85 °C 范圍內(nèi) ±10 ppm；然而，除了苛刻的應(yīng)用之外，這種晶體對于所有應(yīng)用來說都非常昂貴。圖 3 顯示了嚴(yán)格的穩(wěn)定性要求如何限制切割角度的選擇。這導(dǎo)致了具有挑戰(zhàn)性的制造過程和成本高昂的產(chǎn)品。

　　圖 3.圖片由IQD 頻率產(chǎn)品提供。
　　過驅(qū)動晶體的溫度響應(yīng)
　　晶體中可以安全消散的功率有一個(gè)上限。這在器件數(shù)據(jù)表中指定為驅(qū)動電平，范圍為微瓦到毫瓦。在本系列的下一篇文章中，我們將詳細(xì)討論驅(qū)動級別指標(biāo)。

　　在這里，我只想提一下超過驅(qū)動電平會如何顯著降低晶體頻率穩(wěn)定性。圖 4 顯示了一些具有適當(dāng)驅(qū)動電平（本例中為 10 W）的晶體的頻率與溫度曲線?？梢杂^察到諧振頻率的平滑變化。

　　圖 4.圖片由Raltron提供。

　　然而，對于 500 μW 的超驅(qū)動晶體，我們會出現(xiàn)不穩(wěn)定的溫度響應(yīng)，如圖 5 所示。

　　圖 5.圖片由Raltron提供。
　　老化效應(yīng)
　　可悲的是，晶體和我們一樣會老化！老化會影響晶體的諧振頻率。有幾種不同的老化機(jī)制。例如，晶體在安裝到 PCB 上時(shí)可能會受到一些機(jī)械應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移，來自安裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可能會減小并導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生變化。

　　另一種老化機(jī)制是晶體污染。隨著時(shí)間的推移，微小的灰塵碎片會掉落或落到石英表面，導(dǎo)致晶體質(zhì)量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其諧振頻率發(fā)生變化。影響晶體老化的另一個(gè)因素是其驅(qū)動電平。降低驅(qū)動電平可以減少老化效應(yīng)。過度驅(qū)動的晶體在一個(gè)月內(nèi)所經(jīng)歷的老化效應(yīng)可能與在額定功率水平下驅(qū)動的已使用 1 年的晶體的老化效應(yīng)一樣多。圖 6 顯示了典型的老化圖。

　　圖 6.圖片由Hui Zhou提供。
　　請注意，老化圖并不總是平滑函數(shù)，當(dāng)存在兩種或多種不同的老化機(jī)制時(shí)，老化方向可能會逆轉(zhuǎn)。此外，請注意老化效應(yīng)會隨著時(shí)間的推移而減弱。大部分老化發(fā)生在年。例如，與 1 年的晶體相比，5 年的晶體表現(xiàn)出更小的老化引起的頻率變化。
　　總頻率誤差

　　晶體的總?cè)莶羁梢酝ㄟ^將上述三個(gè)指標(biāo)（即頻率容差、頻率穩(wěn)定性和老化）所產(chǎn)生的誤差相加來獲得。該總?cè)莶钣袝r(shí)稱為總穩(wěn)定性，如圖 7 所示。

　　圖 7.總體穩(wěn)定性的組成部分。圖片由Silicon Labs提供。
　　例如，頻率容差為±10 ppm，在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定性為±20 ppm，年老化為±3 ppm；我們預(yù)計(jì)在指定條件下總頻率誤差為 ±33 ppm。
　　根據(jù)總頻率誤差，我們可以確定給定的晶體是否能夠滿足應(yīng)用的要求。例如，晶體頻率偏差會導(dǎo)致 RF ASIC 的載波頻率出現(xiàn)類似偏差。我們可以使用總頻率誤差來確定給定的晶體是否可以滿足應(yīng)用的時(shí)鐘精度要求。例如，根據(jù) 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，載波頻率的偏差為 40 ppm。然而，對于低功耗藍(lán)牙，有 20 ppm 的更嚴(yán)格要求。因此，總頻率誤差為±30 ppm 的晶體可與802.15.4 RF 產(chǎn)品一起使用。然而，相同的晶體不能用于藍(lán)牙低功耗應(yīng)用。