Характеристика отклонений частоты кристаллов кварца:допуск по частоте, стабильность частоты и старение

Узнайте о некоторых наиболее важных характеристиках отклонений частоты кристалла кварца.

Надежная работа практически каждой электронной системы зависит от наличия точного отсчета времени. Кристаллы кварца имеют высокий коэффициент качества и предлагают надежное, стабильное и экономичное решение для синхронизации. Кристаллы кварца, являясь электромеханическим устройством, не так интуитивно понятны, как другие пассивные устройства, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Это пьезоэлектрические материалы, преобразующие механическую деформацию в пропорциональное напряжение на своих выводах и наоборот.

В этой статье рассматриваются три важных показателя, которые используются для характеристики отклонений резонансной частоты кристалла кварца:допуск по частоте, стабильность частоты и старение.

Допуск частоты

Допуск по частоте определяет максимальное отклонение частоты от номинальной кварцевой частоты при 25 ° C. В качестве примера рассмотрим кристалл 32768 Гц с допуском по частоте ± 20 ppm. Фактическая частота колебаний этого кристалла при 25 ° C может находиться в диапазоне от 32768,65536 до 32767,34464 Гц. Мы можем назвать это изменение частоты производственным допуском, поскольку оно возникает из-за обычных изменений в процессах изготовления и сборки. Кристаллы обычно доступны с фиксированными значениями допуска, при этом некоторые типичные значения составляют ± 20 ppm, ± 50 ppm и ± 100 ppm. Хотя можно заказать кристалл с определенным допуском по частоте, например кристалл с точностью ± 5 ppm, изготовленные на заказ кристаллы более дороги.

Стабильность частоты

В то время как допуск по частоте характеризует производственный допуск устройства при 25 ° C, показатель стабильности частоты указывает максимальное изменение частоты в диапазоне рабочих температур. На рисунке 1 показано изменение частоты в зависимости от температуры для типичного кристалла АТ-среза.

Рисунок 1. Изображение предоставлено NXP.

В этом примере устройство демонстрирует максимальное изменение частоты около ± 12 ppm в диапазоне температур от -40 ° C до +85 ° C. Обратите внимание, что частота колебаний при 25 ° C используется в качестве точки отсчета (при этой температуре отклонение равно нулю).

Вы можете задаться вопросом, через какой механизм изменение температуры вызывает изменение резонансной частоты? На самом деле размер кристалла немного меняется с температурой. Поскольку резонансная частота зависит от размера кристалла, изменения температуры приводят к изменению его частоты.

При разработке электронной схемы мы не можем полагаться на спецификации допусков по частоте для определения точности синхронизации, особенно когда система будет подвергаться воздействию экстремальных температурных условий. Например, с портативным устройством, часто оставленным в горячем сыне, или с системой, работающей на Аляске, игнорирование стабильности частоты кристалла может помешать системе выполнить целевой временной бюджет.

Температурный отклик зависит от типа среза кристалла

График зависимости частоты от температуры кристалла зависит от типа резки, используемого при производстве. Тип огранки относится к углу, под которым кварцевые стержни разрезаются для создания кристаллических пластин. В то время как кристалл АТ-среза имеет кубическую кривую температурной стабильности (рис. 1), кристаллы В-среза имеют параболическую кривую (рис. 2).

Рисунок 2. Изображение любезно предоставлено Epson.

Из рисунков 1 и 2 видно, что кристаллы АТ-среза имеют относительно меньшие изменения частоты во всем диапазоне рабочих температур. Температурная кривая кристаллов АТ-среза желательна и с другой точки зрения. Как показано на Рисунке 2, резонансная частота BT-отсечки ниже своего номинального значения по обе стороны от комнатной температуры. Это контрастирует с изображенной кривой AT-cut (Рисунок 1), где частота колебаний выше номинального значения ниже 25 ° C и ниже номинального значения выше 25 ° C. Если кристалл используется в приложении для хронометража, эта особенность AT-cut может привести к более высокой точности, потому что ошибка, вызванная колебаниями температуры, может быть в среднем до нуля. Благодаря своим превосходным температурным характеристикам кристаллы АТ-среза являются одними из наиболее широко используемых типов кристаллов.

Стоит отметить, что существует множество других типов резки, таких как XY-резка, SC-резка и IT-резка. Каждый тип огранки может иметь свой набор функций. Температурные характеристики, чувствительность к механическим нагрузкам, размер для данной номинальной частоты, импеданс, старение и стоимость - вот некоторые из параметров, на которые влияет тип резки.

Некоторые общие значения стабильности частоты составляют ± 20 ppm, ± 50 ppm и ± 100 ppm в указанном диапазоне температур. Опять же, можно заказать изготовленные на заказ кристаллы с превосходной стабильностью частоты, например, ± 10 ppm при температуре от -40 ° C до +85 ° C; однако такие кристаллы будут чрезмерно дорогими для всех приложений, кроме самых требовательных. На рис. 3 показано, как жесткие требования к устойчивости ограничивают выбор угла резания. Это приводит к усложнению производственного процесса и высокозатратному продукту.

Рисунок 3. Изображение предоставлено IQD Frequency Products.

Температурный отклик перегретых кристаллов

Существует верхний предел мощности, которая может безопасно рассеиваться в кристалле. Он указан как уровень возбуждения в техническом описании устройства и находится в диапазоне от микроватт до милливатт. В следующих статьях этой серии мы подробно обсудим метрику уровня драйва.

Здесь я просто хотел бы упомянуть, как превышение максимального уровня возбуждения может значительно ухудшить стабильность частоты кристалла. На рис. 4 показана зависимость частоты от температуры для некоторых кристаллов с соответствующим уровнем возбуждения (10 мкВт в этом примере). Наблюдается плавное изменение резонансной частоты.

Рисунок 4. Изображение предоставлено Raltron.

Однако с перегруженными кристаллами при 500 мкВт мы будем иметь неустойчивые температурные характеристики, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Изображение предоставлено Raltron.

Эффект старения

К сожалению, кристаллы стареют так же, как и мы! Старение влияет на резонансную частоту кристалла. Есть несколько различных механизмов старения. Например, кристалл может испытывать механическое напряжение при установке на печатной плате. Со временем нагрузка от монтажной конструкции может уменьшиться и привести к изменению резонансной частоты.

Другой механизм старения - это загрязнение кристаллов. Со временем микроскопические частицы пыли либо падают, либо падают на поверхность кварца, что приводит к изменению массы кристалла и, следовательно, его резонансной частоты. Еще одним фактором, влияющим на старение кристалла, является его драйв. Понижение уровня вождения может уменьшить эффекты старения. Эффект старения, который испытывает перегруженный кристалл за один месяц, может быть таким же сильным, как и эффект старения годовалого кристалла, который приводится в действие на номинальном уровне мощности. На рисунке 6 показан типичный график старения.

Рисунок 6. Изображение предоставлено Хуэй Чжоу.

Обратите внимание, что график старения не всегда является гладкой функцией, и может происходить обратное направление старения, когда присутствуют два или более различных механизма старения. Кроме того, обратите внимание, что эффект старения со временем уменьшается. Большая часть старения происходит в течение первого года. Например, кристалл пятилетней давности демонстрирует гораздо меньшие изменения частоты, вызванные старением, по сравнению с кристаллом годовалого возраста.

Общая ошибка частоты

Полный допуск кристалла может быть получен путем сложения ошибок, вносимых тремя вышеупомянутыми характеристиками, то есть допуском по частоте, стабильностью частоты и старением. Этот общий максимальный допуск иногда называют общей стабильностью, как показано на Рисунке 7.

Рисунок 7. Компоненты полной стабильности. Изображение предоставлено Silicon Labs.

Например, с допуском по частоте ± 10 ppm, стабильностью частоты ± 20 ppm в диапазоне температур от -40 ° C до +85 ° C и старением ± 3 ppm в течение первого года; мы ожидаем, что общая погрешность частоты будет составлять ± 33 ppm в указанных условиях.

Основываясь на общей ошибке частоты, мы можем определить, может ли данный кристалл удовлетворять требованиям приложения. Например, отклонение частоты кристалла приводит к аналогичному отклонению несущей частоты RF ASIC. Мы можем использовать общую ошибку частоты, чтобы определить, может ли данный кристалл соответствовать требованиям к точности часов приложения. Например, в стандарте 802.15.4 максимальное отклонение несущей частоты составляет 40 ppm. Однако для Bluetooth Low Energy существует более жесткое требование - 20 ppm. Следовательно, кристалл с общей погрешностью частоты ± 30 ppm может использоваться с радиочастотным продуктом 802.15.4. Однако тот же кристалл нельзя использовать для приложений Bluetooth Low Energy. В следующей статье мы продолжим это обсуждение и рассмотрим другие важные параметры, которые влияют на стабильность и надежность выходной частоты кристалла.

Чтобы увидеть полный список моих статей, посетите эту страницу.