水晶振動子の周波数偏差の特性評価：周波数耐性、周波数安定性、および経年劣化

水晶振動子の周波数偏差の最も重要な特性のいくつかについて学びます。

事実上すべての電子システムの信頼性の高い動作は、正確なタイミング基準を持つことに依存しています。水晶振動子は品質係数が高く、信頼性が高く、安定していて、費用効果の高いタイミングソリューションを提供します。電気機械装置である水晶振動子は、抵抗器、コンデンサー、インダクターなどの他の受動装置ほど直感的ではありません。それらは、機械的変形を端子間の比例電圧に、またはその逆に変換する圧電材料です。

この記事では、水晶振動子の共振周波数の偏差を特徴づけるために使用される3つの重要な測定基準、周波数許容誤差、周波数安定性、および経年劣化について説明します。

周波数許容値

周波数許容誤差は、25°Cでの公称結晶周波数からの最大周波数偏差を指定します。例として、±20ppmの周波数許容誤差を持つ32768Hzの水晶を考えてみます。 25°Cでのこの水晶の実際の発振周波数は、32768.65536〜32,767.34464Hzの間のどこかになります。この周波数変動は、製造および組み立てプロセスの通常の変動に起因するため、製造公差と呼ぶことができます。水晶は通常、固定許容値で入手でき、いくつかの典型的な値は±20 ppm、±50 ppm、および±100ppmです。特定の周波数許容誤差を持つ水晶、たとえば±5 ppmの水晶を要求することは可能ですが、カスタムメイドの水晶はより高価です。

周波数の安定性

周波数許容誤差は25°Cでのデバイスの製造許容誤差を特徴づけますが、周波数安定性メトリックは、動作温度範囲での最大周波数変動を指定します。図1は、一般的なATカット結晶の温度による周波数変化を示しています。

図1。 画像提供：NXP。

この例では、デバイスは-40°Cから+ 85°Cの温度範囲で約±12ppmの最大周波数変動を示します。 25°Cでの発振周波数が基準点として使用されることに注意してください（この温度では偏差はゼロです）。

温度変化がどのようなメカニズムで共振周波数の変化を引き起こすのか疑問に思われるかもしれません。実際、結晶のサイズは温度によってわずかに変化します。共振周波数は結晶サイズに依存するため、温度変化により周波数が変化します。

電子回路を設計する場合、特にシステムが極端な温度条件にさらされる場合、タイミング精度を決定するために周波数公差の仕様に依存することはできません。たとえば、携帯機器が頻繁にホットソンに残されたり、システムがアラスカで動作している場合、水晶周波数の安定性を無視すると、システムが目標のタイミングバジェットを満たすことができなくなる可能性があります。

温度応答は水晶の切断タイプによって異なります

水晶の周波数対温度曲線は、製造中に使用されるカットのタイプによって異なります。カットタイプとは、水晶振動子をカットして水晶ウエハーを作る角度のことです。 ATカット結晶は立方体の温度安定曲線を示しますが（図1）、BTカット結晶は放物線曲線を示します（図2）。

図2。 画像提供：Epson。

図1と図2から、ATカット結晶の周波数変化は動作温度範囲全体で比較的小さいことがわかります。 ATカット結晶の温度曲線も別の観点から望まれています。図2に示すように、BTカットの共振周波数は、室温の両側で公称値よりも低くなっています。これは、発振周波数が25°C未満の公称値よりも高く、25°Cを超える公称値よりも低い図のATカット曲線（図1）とは対照的です。水晶が計時アプリケーションで使用される場合、ATカットのこの機能は、温度変化によって生成される誤差が平均してゼロになる可能性があるため、より高い精度につながる可能性があります。 ATカット結晶は、その優れた温度特性により、最も広く使用されている結晶タイプの1つです。

XYカット、SCカット、ITカットなど、他にも多くのカットタイプがあることは特筆に値します。カットタイプごとに、異なる機能セットを提供できます。温度性能、機械的応力に対する感度、特定の公称周波数のサイズ、インピーダンス、経年劣化、およびコストは、カットタイプによって影響を受けるパラメータの一部です。

周波数安定性の一般的な値は、指定された温度範囲で±20 ppm、±50 ppm、および±100ppmです。この場合も、周波数安定性に優れたカスタムメイドの水晶を注文することができます。たとえば、-40°Cから+ 85°Cで±10ppmです。ただし、このような結晶は、最も要求の厳しいアプリケーションを除くすべてのアプリケーションで非常に高価になります。図3は、厳しい安定性要件が切断角度の選択をどのように制限するかを示しています。これは、困難な製造プロセスとコストのかかる製品につながります。

図3。 IQD周波数製品の画像提供。

オーバードライブされた結晶の温度応答

水晶で安全に消費できる電力には上限があります。これは、デバイスのデータシートでドライブレベルとして指定されており、マイクロワットからミリワットの範囲です。このシリーズの次の記事では、ドライブレベルの指標について詳しく説明します。

ここで、最大駆動レベルを超えると、水晶の周波数安定性が大幅に低下する可能性があることを述べておきます。図4は、適切な駆動レベル（この例では10 µW）のいくつかの水晶の周波数対温度曲線を示しています。共振周波数の滑らかな変化が観察できます。

図4。 画像提供：Raltron。

ただし、500μWでオーバードライブされた結晶を使用すると、図5に示すように温度応答が不安定になります。

図5。 画像提供：Raltron。

老化の影響

悲しいことに、結晶は私たちと同じように老化します！経年変化は水晶の共振周波数に影響を与えます。いくつかの異なる老化メカニズムがあります。たとえば、水晶はPCBに取り付けられたときに機械的応力を受ける可能性があります。時間の経過とともに、取り付け構造からの応力が減少し、共振周波数が変化する可能性があります。

もう1つの経年劣化メカニズムは結晶汚染です。時間が経つにつれて、微細なほこりが水晶の表面に落ちるか落下して、結晶の質量が変化し、その結果、その共振周波数が変化します。水晶の経年劣化に影響を与えるもう1つの要因は、その駆動レベルです。ドライブレベルを下げると、経年劣化の影響を減らすことができます。オーバードライブされた水晶が1か月で経験する経年劣化の影響は、定格電力レベルで駆動された1年前の水晶と同じくらいになる可能性があります。図6は、典型的な経年変化のプロットを示しています。

図6。 画像提供：恵州

エージングプロットは必ずしもスムーズな機能ではなく、2つ以上の異なるエージングメカニズムが存在する場合、エージング方向が逆転する可能性があることに注意してください。また、老化の影響は時間とともに減少することに注意してください。老化のほとんどは最初の年の間に起こります。たとえば、5年前の結晶は、1年前の結晶と比較して、経年変化による周波数変化がはるかに小さくなります。

総周波数誤差

水晶の総許容誤差は、上記の3つの仕様、つまり周波数許容誤差、周波数安定性、および経年劣化によって生じる誤差を加算することによって取得できます。この合計最大許容誤差は、図7に示すように、合計安定性と呼ばれることもあります。

図7。 完全な安定性のコンポーネント。画像提供：SiliconLabs。

たとえば、周波数公差が±10 ppm、周波数安定性が-40°C〜 + 85°Cの温度範囲で±20ppm、最初の1年間でエージングが±3ppmの場合。合計周波数誤差は、指定された条件で±33ppmになると予想されます。

総周波数誤差に基づいて、特定の水晶がアプリケーションの要件を満たすことができるかどうかを判断できます。たとえば、水晶周波数の偏差は、RFASICの搬送周波数の同様の偏差につながります。総周波数誤差を使用して、特定の水晶がアプリケーションのクロック精度要件を満たすことができるかどうかを判断できます。一例として、802.15.4規格では、搬送周波数の最大偏差は40ppmです。ただし、Bluetooth Low Energyの場合、20ppmというより厳しい要件があります。したがって、総周波数誤差が±30 ppmの水晶は、802.15.4RF製品で使用できます。ただし、同じクリスタルをBluetooth LowEnergyアプリケーションに使用することはできません。次の記事では、この議論を続け、水晶出力周波数の安定性と信頼性に影響を与える他の重要なパラメータを見ていきます。

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