Kenmerken van frequentieafwijkingen van kwartskristallen:frequentietolerantie, frequentiestabiliteit en veroudering

Leer over enkele van de belangrijkste kenmerken van frequentieafwijkingen van kwartskristalen.

De betrouwbare werking van vrijwel elk elektronisch systeem is afhankelijk van een nauwkeurige timingreferentie. Kwartskristallen hebben een hoge kwaliteitsfactor en bieden een betrouwbare, stabiele en kosteneffectieve timingoplossing. Omdat het een elektromechanisch apparaat is, zijn kwartskristallen niet zo intuïtief als andere passieve apparaten zoals weerstanden, condensatoren en inductoren. Het zijn piëzo-elektrische materialen die een mechanische vervorming omzetten in een proportionele spanning over hun klemmen en vice versa.

In dit artikel worden drie van de belangrijke meetwaarden besproken die worden gebruikt om de afwijkingen in de resonantiefrequentie van een kwartskristal te karakteriseren:frequentietolerantie, frequentiestabiliteit en veroudering.

Frequentietolerantie

Frequentietolerantie specificeert de maximale frequentieafwijking van de nominale kristalfrequentie bij 25 °C. Beschouw als voorbeeld een 32768 Hz kristal met een frequentietolerantie van ±20 ppm. De werkelijke oscillatiefrequentie van dit kristal bij 25 ° C kan ergens tussen 32768,65536 en 32,767.34464 Hz liggen. We kunnen deze frequentievariatie de productietolerantie noemen, omdat deze afkomstig is van normale variaties in fabricage- en assemblageprocessen. Kristallen zijn meestal verkrijgbaar met vaste tolerantiewaarden, waarbij enkele typische waarden ±20 ppm, ±50 ppm en ±100 ppm zijn. Hoewel het mogelijk is om een ​​kristal aan te vragen met een specifieke frequentietolerantie, bijvoorbeeld een kristal van ±5 ppm, zijn op maat gemaakte kristallen duurder.

Frequentiestabiliteit

Terwijl frequentietolerantie de productietolerantie van het apparaat bij 25 °C kenmerkt, specificeert de frequentiestabiliteitsmetriek de maximale frequentievariatie over het bedrijfstemperatuurbereik. Figuur 1 toont de frequentievariatie met temperatuur voor een typisch AT-geslepen kristal.

Figuur 1. Afbeelding met dank aan NXP.

In dit voorbeeld vertoont het apparaat een maximale frequentievariatie van ongeveer ±12 ppm over een temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C. Merk op dat de oscillatiefrequentie bij 25 °C als referentiepunt wordt gebruikt (afwijking is nul bij deze temperatuur).

Je vraagt ​​je misschien af ​​via welk mechanisme een temperatuurverandering een verandering in de resonantiefrequentie veroorzaakt? In feite verandert de grootte van het kristal enigszins met de temperatuur. Aangezien de resonantiefrequentie afhangt van de kristalgrootte, resulteren temperatuurvariaties in een verandering in de frequentie ervan.

Bij het ontwerpen van een elektronische schakeling kunnen we niet vertrouwen op de specificatie van de frequentietolerantie om de timingnauwkeurigheid te bepalen, vooral wanneer het systeem wordt blootgesteld aan extreme temperatuuromstandigheden. Als bijvoorbeeld een draagbaar apparaat vaak in de hot son wordt achtergelaten of een systeem dat in Alaska werkt, kan het negeren van de kristalfrequentiestabiliteit voorkomen dat het systeem het beoogde timingbudget haalt.

Temperatuurrespons hangt af van het type Crystal Cut

De frequentie versus temperatuurcurve van een kristal hangt af van het type snede dat tijdens de productie wordt gebruikt. Het snijtype verwijst naar de hoek waaronder de kwartsstaven worden gesneden om kristalwafels te maken. Terwijl een AT-geslepen kristal een kubieke temperatuurstabiliteitscurve vertoont (Figuur 1), hebben BT-geslepen kristallen een parabolische curve (Figuur 2).

Figuur 2. Afbeelding met dank aan Epson.

Uit figuren 1 en 2 zien we dat AT-geslepen kristallen relatief kleinere frequentieveranderingen hebben over hun bedrijfstemperatuurbereik. De temperatuurcurve van AT-geslepen kristallen is ook vanuit een ander oogpunt gewenst. Zoals weergegeven in figuur 2, is de resonantiefrequentie van de BT-cut lager dan de nominale waarde aan weerszijden van de kamertemperatuur. Dit in tegenstelling tot de afgebeelde AT-cut curve (Figuur 1) waar de oscillatiefrequentie hoger is dan de nominale waarde onder 25 °C en lager dan de nominale waarde boven 25 °C. Als het kristal wordt gebruikt in een tijdwaarnemingstoepassing, kan deze eigenschap van AT-cut leiden tot een hogere nauwkeurigheid omdat de fout die wordt veroorzaakt door temperatuurvariaties gemiddeld tot nul kan bedragen. Vanwege hun superieure temperatuurkenmerken behoren AT-geslepen kristallen tot de meest gebruikte kristaltypes.

Het is de moeite waard om te vermelden dat er veel andere snijtypes zijn, zoals XY-cut, SC-cut en IT-cut. Elk snijtype kan een andere reeks functies bieden. Temperatuurprestaties, gevoeligheid voor mechanische belasting, grootte voor een bepaalde nominale frequentie, impedantie, veroudering en kosten zijn enkele van de parameters die worden beïnvloed door het snijtype.

Enkele veelvoorkomende waarden voor frequentiestabiliteit zijn ±20 ppm, ±50 ppm en ±100 ppm over een gespecificeerd temperatuurbereik. Ook hier is het mogelijk om op maat gemaakte kristallen te bestellen met een superieure frequentiestabiliteit, bijvoorbeeld ±10 ppm boven -40 °C tot +85 °C; dergelijke kristallen zullen echter onbetaalbaar zijn voor alle, behalve de meest veeleisende toepassingen. Afbeelding 3 laat zien hoe een strikte stabiliteitseis de keuze van de snijhoek beperkt. Dit leidt tot een uitdagend productieproces en een kostenbesparend product.

Figuur 3. Afbeelding met dank aan IQD Frequency Products.

Temperatuurreactie van overstuurde kristallen

Er is een bovengrens voor het vermogen dat veilig in een kristal kan worden afgevoerd. Dit wordt gespecificeerd als het aandrijfniveau in het gegevensblad van het apparaat en ligt in het bereik van microwatt tot milliwatt. In de volgende artikelen in deze serie gaan we uitgebreid in op de statistiek van het rijniveau.

Hier zou ik alleen willen vermelden hoe het overschrijden van het maximale aandrijfniveau de kristalfrequentiestabiliteit aanzienlijk kan verslechteren. Figuur 4 toont de frequentie vs. temperatuurcurve van sommige kristallen met een geschikt aandrijfniveau (10 µW in dit voorbeeld). Een vloeiende verandering in de resonantiefrequentie is waarneembaar.

Figuur 4. Afbeelding met dank aan Raltron.

Met overgedreven kristallen bij 500 μW zullen we echter grillige temperatuurreacties hebben, zoals weergegeven in figuur 5.

Figuur 5. Afbeelding met dank aan Raltron.

Verouderingseffect

Helaas verouderen kristallen zoals wij! Veroudering beïnvloedt de resonantiefrequentie van het kristal. Er zijn verschillende verouderingsmechanismen. Het kristal kan bijvoorbeeld enige mechanische spanning ondervinden wanneer het op de printplaat wordt gemonteerd. Na verloop van tijd kan de spanning van de montagestructuur verminderen en leiden tot een verandering in de resonantiefrequentie.

Een ander verouderingsmechanisme is kristalverontreiniging. Naarmate de tijd verstrijkt, vallen microscopisch kleine stukjes stof ofwel van het kwartsoppervlak af of vallen ze op het kwartsoppervlak, wat leidt tot een verandering in de kristalmassa en bijgevolg de resonantiefrequentie ervan. Een andere factor die de veroudering van het kristal beïnvloedt, is het aandrijfniveau. Het verlagen van het rijniveau kan de verouderingseffecten verminderen. Het verouderingseffect dat een overgedreven kristal in één maand ervaart, kan net zo groot zijn als dat van een 1 jaar oud kristal dat wordt aangedreven op het nominale vermogen. Afbeelding 6 toont een typische verouderingsgrafiek.

Figuur 6. Afbeelding met dank aan Hui Zhou.

Merk op dat de verouderingsgrafiek niet altijd een vloeiende functie is en dat er een omkering van de verouderingsrichting kan zijn wanneer twee of meer verschillende verouderingsmechanismen aanwezig zijn. Merk bovendien op dat het verouderingseffect met de tijd afneemt. De meeste veroudering vindt plaats in het eerste jaar. Een 5 jaar oud kristal vertoont bijvoorbeeld veel kleinere door veroudering veroorzaakte frequentieveranderingen in vergelijking met een 1 jaar oud kristal.

Totale frequentiefout

De totale tolerantie van een kristal kan worden verkregen door de fouten op te tellen die worden veroorzaakt door de bovenstaande drie specificaties, namelijk frequentietolerantie, frequentiestabiliteit en veroudering. Deze totale maximale tolerantie wordt soms de totale stabiliteit genoemd, zoals weergegeven in figuur 7.

Figuur 7. Componenten van totale stabiliteit. Afbeelding met dank aan Silicon Labs.

Bijvoorbeeld met een frequentietolerantie van ±10 ppm, frequentiestabiliteit van ±20 ppm over een temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C en veroudering van ±3 ppm gedurende het eerste jaar; we verwachten dat de totale frequentiefout ±33 ppm zal zijn onder de gespecificeerde omstandigheden.

Op basis van de totale frequentiefout kunnen we bepalen of een bepaald kristal aan de eisen van een toepassing kan voldoen. De afwijking van de kristalfrequentie leidt bijvoorbeeld tot een vergelijkbare afwijking in de draaggolffrequentie van de RF ASIC's. We kunnen de totale frequentiefout gebruiken om te bepalen of een bepaald kristal kan voldoen aan de kloknauwkeurigheidsvereiste van een toepassing. Met de 802.15.4-standaard is de maximale afwijking in de draaggolffrequentie bijvoorbeeld 40 ppm. Voor Bluetooth Low Energy geldt echter een strengere eis van 20 ppm. Daarom kan een kristal met een totale frequentiefout van ±30 ppm worden gebruikt met een 802.15.4 RF-product. Hetzelfde kristal kan echter niet worden gebruikt voor Bluetooth Low Energy-toepassingen. In het volgende artikel zullen we deze discussie voortzetten en kijken naar de andere belangrijke parameters die van invloed zijn op de stabiliteit en betrouwbaarheid van de kristaluitgangsfrequentie.

Ga naar deze pagina om een ​​volledige lijst van mijn artikelen te zien.