Charakterisierung von Frequenzabweichungen von Quarzkristallen:Frequenztoleranz, Frequenzstabilität und Alterung

Lernen Sie einige der wichtigsten Eigenschaften von Quarzkristall-Frequenzabweichungen kennen.

Der zuverlässige Betrieb praktisch jedes elektronischen Systems hängt von einer genauen Zeitreferenz ab. Quarzkristalle haben einen hohen Qualitätsfaktor und bieten eine zuverlässige, stabile und kostengünstige Zeitmesslösung. Als elektromechanisches Gerät sind Quarzkristalle nicht so intuitiv wie andere passive Geräte wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Sie sind piezoelektrische Materialien, die eine mechanische Verformung an ihren Anschlüssen in eine proportionale Spannung umwandeln und umgekehrt.

In diesem Artikel werden drei der wichtigen Metriken diskutiert, die verwendet werden, um die Abweichungen der Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls zu charakterisieren:Frequenztoleranz, Frequenzstabilität und Alterung.

Frequenztoleranz

Die Frequenztoleranz gibt die maximale Frequenzabweichung von der Nennquarzfrequenz bei 25 °C an. Betrachten Sie als Beispiel einen 32768 Hz Quarz mit einer Frequenztoleranz von ±20 ppm. Die tatsächliche Oszillationsfrequenz dieses Quarzes bei 25 °C kann irgendwo zwischen 32768,65536 und 32,767.34464 Hz liegen. Wir können diese Frequenzabweichung als Produktionstoleranz bezeichnen, da sie von normalen Abweichungen in den Herstellungs- und Montageprozessen herrührt. Kristalle sind normalerweise mit festen Toleranzwerten erhältlich, wobei einige typische Werte ±20 ppm, ±50 ppm und ±100 ppm betragen. Es ist zwar möglich, einen Quarz mit einer bestimmten Frequenztoleranz anzufordern, beispielsweise einen Quarz mit ±5 ppm, aber maßgeschneiderte Quarze sind teurer.

Frequenzstabilität

Während die Frequenztoleranz die Fertigungstoleranz des Geräts bei 25 °C charakterisiert, gibt die Frequenzstabilitätsmetrik die maximale Frequenzvariation über den Betriebstemperaturbereich an. Abbildung 1 zeigt die Frequenzänderung mit der Temperatur für einen typischen Kristall mit AT-Schnitt.

Abbildung 1. Bild mit freundlicher Genehmigung von NXP.

In diesem Beispiel weist das Gerät eine maximale Frequenzschwankung von ca. ±12 ppm über einen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C auf. Beachten Sie, dass als Bezugspunkt die Schwingfrequenz bei 25 °C verwendet wird (Abweichung ist bei dieser Temperatur Null).

Sie fragen sich vielleicht, durch welchen Mechanismus eine Temperaturänderung eine Änderung der Resonanzfrequenz bewirkt? Tatsächlich ändert sich die Größe des Kristalls leicht mit der Temperatur. Da die Resonanzfrequenz von der Kristallgröße abhängt, führen Temperaturschwankungen zu einer Frequenzänderung.

Beim Entwerfen einer elektronischen Schaltung können wir uns nicht auf die Frequenztoleranzspezifikation verlassen, um die Timing-Genauigkeit zu bestimmen, insbesondere wenn das System extremen Temperaturbedingungen ausgesetzt ist. Wenn beispielsweise ein tragbares Gerät häufig im heißen Sohn gelassen wird oder ein System in Alaska betrieben wird, kann das Ignorieren der Quarzfrequenzstabilität verhindern, dass das System das angestrebte Timing-Budget einhält.

Temperaturreaktion hängt vom Kristallschnitttyp ab

Die Frequenz-Temperatur-Kurve eines Kristalls hängt von der Art des bei der Herstellung verwendeten Schnitts ab. Der Schnitttyp bezieht sich auf den Winkel, in dem die Quarzstäbe geschnitten werden, um Kristallwafer zu erzeugen. Während ein AT-geschnittener Kristall eine kubische Temperaturstabilitätskurve aufweist (Abbildung 1), haben BT-geschnittene Kristalle eine parabolische Kurve (Abbildung 2).

Abbildung 2. Bild mit freundlicher Genehmigung von Epson.

Aus den Abbildungen 1 und 2 sehen wir, dass Kristalle mit AT-Schnitt über ihren Betriebstemperaturbereich relativ kleinere Frequenzänderungen aufweisen. Der Temperaturverlauf von AT-geschnittenen Kristallen ist auch aus einem anderen Gesichtspunkt erwünscht. Wie in Abbildung 2 gezeigt, ist die Resonanzfrequenz des BT-Schnitts auf beiden Seiten der Raumtemperatur niedriger als sein Nennwert. Dies steht im Gegensatz zu der dargestellten AT-Schnittkurve (Abbildung 1), bei der die Schwingungsfrequenz unter 25 °C höher als der Nennwert und über 25 °C niedriger als der Nennwert ist. Wenn der Quarz in einer Zeitmessungsanwendung verwendet wird, kann diese Eigenschaft des AT-Schnitts zu einer höheren Genauigkeit führen, da der durch Temperaturschwankungen erzeugte Fehler auf null gehen kann. Aufgrund ihrer hervorragenden Temperatureigenschaften gehören AT-geschnittene Kristalle zu den am häufigsten verwendeten Kristalltypen.

Erwähnenswert ist, dass es noch viele weitere Schnittarten wie XY-Schnitt, SC-Schnitt und IT-Schnitt gibt. Jeder Schnitttyp kann einen anderen Satz von Funktionen bieten. Temperaturverhalten, Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung, Größe für eine gegebene Nennfrequenz, Impedanz, Alterung und Kosten sind einige der Parameter, die vom Schnitttyp beeinflusst werden.

Einige übliche Werte für die Frequenzstabilität sind ±20 ppm, ±50 ppm und ±100 ppm über einen bestimmten Temperaturbereich. Auch hier ist es möglich, kundenspezifische Quarze mit hervorragender Frequenzstabilität zu bestellen, zum Beispiel ±10 ppm über -40 °C bis +85 °C; jedoch werden solche Kristalle für alle außer den anspruchsvollsten Anwendungen unerschwinglich teuer sein. Bild 3 zeigt, wie eine enge Stabilitätsanforderung die Wahl des Schnittwinkels einschränkt. Dies führt zu einem anspruchsvollen Herstellungsprozess und zu einem kostspieligen Produkt.

Abbildung 3. Bild mit freundlicher Genehmigung von IQD Frequency Products.

Temperaturverhalten übersteuerter Kristalle

Es gibt eine Obergrenze für die Leistung, die in einem Quarz sicher abgeleitet werden kann. Diese wird im Gerätedatenblatt als Antriebsstufe angegeben und liegt im Bereich von Mikrowatt bis Milliwatt. In den nächsten Artikeln dieser Reihe werden wir die Messwerte auf Drive-Ebene ausführlich besprechen.

An dieser Stelle möchte ich nur erwähnen, dass eine Überschreitung des maximalen Antriebspegels die Quarzfrequenzstabilität erheblich verschlechtern kann. Abbildung 4 zeigt die Frequenz-Temperatur-Kurve einiger Quarze mit einem geeigneten Treiberpegel (in diesem Beispiel 10 µW). Es ist eine sanfte Änderung der Resonanzfrequenz zu beobachten.

Abbildung 4. Bild mit freundlicher Genehmigung von Raltron.

Bei übersteuerten Kristallen bei 500 μW werden wir jedoch unregelmäßige Temperaturreaktionen haben, wie in Abbildung 5 gezeigt.

Abbildung 5. Bild mit freundlicher Genehmigung von Raltron.

Alterungseffekt

Leider altern Kristalle so wie wir! Alterung beeinflusst die Resonanzfrequenz des Kristalls. Es gibt verschiedene Alterungsmechanismen. Beispielsweise kann der Quarz bei der Montage auf der Leiterplatte einer gewissen mechanischen Belastung ausgesetzt sein. Im Laufe der Zeit kann die Belastung durch die Montagestruktur abnehmen und zu einer Änderung der Resonanzfrequenz führen.

Ein weiterer Alterungsmechanismus ist die Kristallkontamination. Im Laufe der Zeit fallen mikroskopisch kleine Staubteilchen entweder ab oder fallen auf die Quarzoberfläche, was zu einer Veränderung der Kristallmasse und damit der Resonanzfrequenz führt. Ein weiterer Faktor, der die Kristallalterung beeinflusst, ist sein Antriebsniveau. Ein Absenken des Antriebsniveaus kann die Alterungseffekte reduzieren. Der Alterungseffekt, den ein übersteuerter Quarz in einem Monat erfährt, kann so groß sein wie der eines 1 Jahr alten Quarzes, der mit der Nennleistung betrieben wird. Abbildung 6 zeigt ein typisches Alterungsdiagramm.

Abbildung 6. Bild mit freundlicher Genehmigung von Hui Zhou.

Beachten Sie, dass das Alterungsdiagramm nicht immer eine glatte Funktion ist und es eine Umkehr der Alterungsrichtung geben kann, wenn zwei oder mehr verschiedene Alterungsmechanismen vorhanden sind. Beachten Sie außerdem, dass der Alterungseffekt mit der Zeit nachlässt. Der größte Teil der Alterung findet im ersten Jahr statt. Beispielsweise zeigt ein 5 Jahre alter Kristall viel kleinere alterungsbedingte Frequenzänderungen im Vergleich zu einem 1 Jahre alten.

Gesamtfrequenzfehler

Die Gesamttoleranz eines Quarzes kann durch Addieren der Fehler erhalten werden, die durch die obigen drei Spezifikationen, d. h. Frequenztoleranz, Frequenzstabilität und Alterung, beigetragen werden. Diese maximale Gesamttoleranz wird manchmal als Gesamtstabilität bezeichnet, wie in Abbildung 7 gezeigt.

Abbildung 7. Komponenten der totalen Stabilität. Bild mit freundlicher Genehmigung von Silicon Labs.

Beispielsweise mit einer Frequenztoleranz von ±10 ppm, einer Frequenzstabilität von ±20 ppm über einen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C und einer Alterung von ±3 ppm im ersten Jahr; wir erwarten, dass der Gesamtfrequenzfehler unter den angegebenen Bedingungen ±33 ppm beträgt.

Anhand des Gesamtfrequenzfehlers können wir feststellen, ob ein bestimmter Quarz die Anforderungen einer Anwendung erfüllen kann. Beispielsweise führt eine Quarzfrequenzabweichung zu einer ähnlichen Abweichung der Trägerfrequenz der HF-ASICs. Wir können den Gesamtfrequenzfehler verwenden, um zu bestimmen, ob ein bestimmter Quarz die Anforderungen an die Taktgenauigkeit einer Anwendung erfüllen kann. Beim Standard 802.15.4 beträgt die maximale Abweichung der Trägerfrequenz beispielsweise 40 ppm. Für Bluetooth Low Energy gilt jedoch eine strengere Anforderung von 20 ppm. Daher kann ein Quarz mit einem Gesamtfrequenzfehler von ±30 ppm mit einem 802.15.4 RF-Produkt verwendet werden. Der gleiche Quarz kann jedoch nicht für Bluetooth Low Energy-Anwendungen verwendet werden. Im nächsten Artikel werden wir diese Diskussion fortsetzen und uns die anderen wichtigen Parameter ansehen, die die Stabilität und Zuverlässigkeit der Quarzausgangsfrequenz beeinflussen.

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