几乎每个
电子系统的可靠运行都依赖于准确的定时参考。石英晶体具有高品质因数，可提供可靠、稳定且经济高效的计时解决方案。作为一种机电器件，石英晶体不像
电阻器、
电容器和电感器等其他无源器件那么直观。它们是压电材料，将机械变形转换成其
端子上的成比例电压，反之亦然。
本文深入讨论了用于表征石英晶体谐振频率偏差的三个重要指标：频率容差、频率稳定性和老化。
频率容差
频率容差指定 25 °C 时与标称晶体频率的频率偏差。例如，考虑频率容差为 ±20 ppm 的 32768 Hz 晶体。该晶体在 25 °C 时的实际振荡频率可以是 32768.65536 到 32,767.34464 Hz 之间的任意值。我们可以将这种频率变化称为生产公差，因为它源于制造和组装过程中的正常变化。晶体通常具有固定的容差值，一些典型值为±20 ppm、±50 ppm 和±100 ppm。虽然可以要求具有特定频率容差的晶体，例如 ±5 ppm 晶体，但定制晶体更昂贵。
频率稳定性
虽然频率容差表征了 25 °C 时器件的生产容差，但频率稳定性指标指定了工作温度范围内的频率变化。图 1 显示了典型 AT 切割晶体的频率随温度的变化。
图 1.图片由NXP提供。
在此示例中，该器件在 -40 °C 至 +85 °C 的温度范围内表现出约 ±12 ppm 的频率变化。请注意，25°C 时的振荡频率用作参考点（在此温度下偏差为零）。
您可能想知道温度变化通过什么机制引起谐振频率的变化？事实上，晶体的尺寸随着温度的变化而略有变化。由于谐振频率取决于晶体尺寸，因此温度变化会导致其频率发生变化。
在设计电子电路时，我们不能依靠频率容差规范来确定定时精度，尤其是当系统将暴露在极端温度条件下时。例如，对于经常留在热儿子中的便携式设备或在阿拉斯加运行的系统，忽略晶体频率稳定性可能会导致系统无法满足目标时序预算。
温度响应取决于晶体切割类型
晶体的频率与温度曲线取决于制造过程中使用的切割类型。切割类型是指切割石英棒以形成水晶晶片的角度。AT 切割晶体呈现立方温度稳定性曲线（图 1），而 BT 切割晶体则呈现抛物线温度稳定性曲线（图 2）。
图 2.图片由Epson提供。
从图 1 和图 2 中，我们观察到 AT 切割晶体在其工作温度范围内的频率变化相对较小。从另一个角度来看，AT切割晶体的温度曲线也是理想的。如图 2 所示，BT-cut 的谐振频率在室温两侧均低于其标称值。这与所示的 AT-cut 曲线（图 1）形成对比，其中振荡频率在 25 °C 以下时高于标称值，在 25 °C 以上时低于标称值。如果晶体用于计时应用，AT-cut 的这一特性可以带来更高的精度，因为温度变化产生的误差可以平均为零。由于其卓越的温度特性，AT 切割晶体是使用广泛的晶体类型之一。
值得一提的是，还有许多其他切割类型，例如 XY 切割、SC 切割和 IT 切割。每种切割类型都可以提供不同的功能集。温度性能、对机械应力的敏感性、给定标称频率的尺寸、阻抗、老化和成本是受切割类型影响的一些参数。
在指定温度范围内，频率稳定性的一些常见值为±20 ppm、±50 ppm 和±100 ppm。同样，可以订购具有卓越频率稳定性的定制晶体，例如在 -40 °C 至 +85 °C 范围内 ±10 ppm；然而，除了苛刻的应用之外，这种晶体对于所有应用来说都非常昂贵。图 3 显示了严格的稳定性要求如何限制切割角度的选择。这导致了具有挑战性的制造过程和成本高昂的产品。
图 3.图片由IQD 频率产品提供。
过驱动晶体的温度响应
晶体中可以安全消散的功率有一个上限。这在器件数据表中指定为驱动电平，范围为微瓦到毫瓦。在本系列的下一篇文章中，我们将详细讨论驱动级别指标。
在这里，我只想提一下超过驱动电平会如何显着降低晶体频率稳定性。图 4 显示了一些具有适当驱动电平（本例中为 10 W）的晶体的频率与温度曲线。可以观察到谐振频率的平滑变化。
图 4.图片由Raltron提供。
然而，对于 500 μW 的超驱动晶体，我们会出现不稳定的温度响应，如图 5 所示。
图 5.图片由Raltron提供。
老化效应
可悲的是，晶体和我们一样会老化！老化会影响晶体的谐振频率。有几种不同的老化机制。例如，晶体在安装到 PCB 上时可能会受到一些机械应力。随着时间的推移，来自安装结构的应力可能会减小并导致谐振频率发生变化。
另一种老化机制是晶体污染。随着时间的推移，微小的灰尘碎片会掉落或落到石英表面，导致晶体质量发生变化，从而导致其谐振频率发生变化。影响晶体老化的另一个因素是其驱动电平。降低驱动电平可以减少老化效应。过度驱动的晶体在一个月内所经历的老化效应可能与在额定功率水平下驱动的已使用 1 年的晶体的老化效应一样多。图 6 显示了典型的老化图。
图 6.图片由Hui Zhou提供。
请注意，老化图并不总是平滑函数，当存在两种或多种不同的老化机制时，老化方向可能会逆转。此外，请注意老化效应会随着时间的推移而减弱。大部分老化发生在年。例如，与 1 年的晶体相比，5 年的晶体表现出更小的老化引起的频率变化。
总频率误差
晶体的总容差可以通过将上述三个指标（即频率容差、频率稳定性和老化）所产生的误差相加来获得。该总容差有时称为总稳定性，如图 7 所示。
图 7.总体稳定性的组成部分。图片由Silicon Labs提供。
例如，频率容差为±10 ppm，在-40°C至+85°C温度范围内频率稳定性为±20 ppm，年老化为±3 ppm；我们预计在指定条件下总频率误差为 ±33 ppm。
根据总频率误差，我们可以确定给定的晶体是否能够满足应用的要求。例如，晶体频率偏差会导致 RF ASIC 的载波频率出现类似偏差。我们可以使用总频率误差来确定给定的晶体是否可以满足应用的时钟精度要求。例如，根据 802.15.4 标准，载波频率的偏差为 40 ppm。然而，对于低功耗蓝牙，有 20 ppm 的更严格要求。因此，总频率误差为±30 ppm 的晶体可与802.15.4 RF 产品一起使用。然而，相同的晶体不能用于蓝牙低功耗应用。
