【Maker 電子學】石英晶體時脈元件的原理與應用—PART 4

Posted By Liang Bird on 1 月 21, 2021 in Maker電子學, 教學文, 石英晶體時脈元件 | 0 comments

上篇文章我們探討了一般 IC 在使用石英晶體當作頻率元件時，內部振盪電路的結構，也說明了石英晶體一個很重要的特性：負載電容，以及它在振盪電路中的角色、利用負載電容微調頻率的方法。這一回我們要介紹其它會影響石英晶體頻率的特性與環境因素。

頻率精確度

我們在這一系列文章的開頭就說過，石英晶體是很穩定、很準確的頻率元件，但它到底有多準呢？

（圖片來源：Bird 提供）

以台灣晶技（TXC）5032 7B 系列石英晶體的規格書爲例。這個系列的石英晶體有兩個型號，分別是 7B 和 7B（T），7B 的頻率精確度（frequency tolerance）是 +/-30 ppm，而 7B（T）比較厲害，它的頻率精確度是 +/-10 ppm。這是什麼意思呢？

頻率精確度指的是石英晶體在特定條件下（通常是室溫），出廠時的頻率。以一個 16 MHz 的石英晶體爲例，如果它的精確是 +/-30 ppm，那它的最大頻率偏移量就是：16,000,000（Hz）* 30 * 10-6 = 480 Hz；換句話說，這個石英晶體最高的頻率可能是 16,000,000（Hz）+ 480（Hz）= 16,000,480（Hz），最低的頻率可能是 16,000,000（Hz）- 480（Hz）= 15,999,520（Hz）。

這個頻率是石英晶體出廠時的狀態，它是穩定的、不會變動的。你買一顆 16 MHz +/-30 ppm 的石英晶體，拿到的實際振盪頻率可能是 16.000200 MHz（在上述的誤差範圍內），而且只要溫度都是 25℃，它今天是這個頻率，明天也會是這個頻率，不會變來變去。

這個頻率是石英晶體在製造過程當下就決定的，我們在前幾回說過，以現在最常用的 AT-cut 切割方式爲例，控制石英晶體頻率的主要切割參數是它的厚度，因此只要製造商控制切割厚度的能力夠精確，就可以做出頻率很準的石英晶體。

也有製造商是做好石英晶體之後，再用逐一測量頻率、篩選的方式來分類產品。上面的規格表中，頻率精確度的一欄中有個「specify」，意思就是是說「如果你不滿意 +/-30 ppm 的話，你要多準都可以切給你」，而這種高於製程能力的精度，就要靠篩選來達成。精度要求越高，篩選後剩下來的商品就越少，因此價格也會越高。

但不管怎麼樣，頻率精確度這個數字告訴你的，就是石英晶體出廠時的頻率，它是穩定的、不會變動的。

歲月漸老

在規格表中還有一欄跟頻率有關的規格，叫做「aging」，它指的是長時間下，石英晶體的頻率變化，而這個時間通常是以月或是年爲單位，因此也叫做石英晶體的「老化」（aging）特性。

石英晶體會因爲機械應力釋放、雜質遷移以及質量改變而老化。

機械應力釋放大概是最主要的老化因素。石英晶體在製造的過程當中，切割好的石英晶體薄片要被固定在基座上，並和電極連接。這個固定的過程有可能因爲黏和不平均或其它因素，造成石英晶體上有機械應力（這個應力在剛出廠的時候最大，但有可能隨著時間而釋放掉）。

由於石英晶體穩定頻率的特性是來自壓電效應造成的機械震動，晶體上的機械應力一定會影響到頻率，隨著機械應力的釋放、減小，它的振盪頻率就有可能產生變化。

現在用來製造石英晶體的材料幾乎都是人工長晶做出來的石英，雖然純度已經可以做到極高，但仍不免會有微量的雜質混在晶體中。當石英晶體在工作中震動時，這些雜質就有可能在晶體內部移動，影響壓電效應的特性，進而影響頻共振頻率。

質量改變則是由於石英晶體長時間的機械震動，導致表面可能有微量的分子被「彈」走，造成質量損失，而改變晶體的共振頻率。

以上幾個造成老化的因素，質量改變大概只會發生在石英晶體工作的情況下，而應力釋放和雜質遷移有可能發生在工作時，也有可能發生在靜置時。換句話說，石英晶體就算你放著不用，它也會老化。

不過好消息是，石英晶體老化的速度相當慢，通常在每年數個 ppm 上下，而且可以用製程來改善；而且，老化的速度是非線性的，初期老化得比較快，久了之後，當許多物理特性穩定下來後，老化的速度會減緩。

如果你要設計一個保用十年甚至數十年的電子產品，而且它需要精確的時脈，那麼石英晶體老化所造成的頻率偏移就要考慮進去。

乍暖還寒

另一個會顯著影響石英晶體共振頻率的因素就是溫度。即使石英晶體本身已經是溫度係數極小的材料，但只要它的溫度係數不是 0，就會因爲溫度變化影響到晶體的機械尺寸和機械特性，進而影響共振頻率。

不過我們可以藉由巧妙控制石英晶體切割的方式，來補償這個問題。