【Maker 電子學】石英晶體時脈元件的原理與應用—PART 4

作者:Bird

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。

(圖片來源:Bird 提供)

上圖是一張 AT 切割石英晶體的溫度特性曲線,圖中有好幾條曲線,分別代表 AT 切割時的角度微調。我們在第一回時提過,AT 切割的角度大概是與晶體的 Z 軸呈 35 度左右的夾角,圖中每一條曲線之間的切割角度差異大概是 0.1 度左右,因此可以看出,只要微小的角度差異就會對石英晶體的溫度特性造成影響。

AT 切割石英晶體的溫度特性曲線是一個有兩個彎的三次曲線,從圖中可以看出來當溫度從室溫往下降時,頻率會先變高,再變低,而當溫度從室溫往上升時,頻率會先變低再變高。不同的切割角度,會讓這個三次曲線有不同的翹曲程度。

目前業界最標準的 AT 切割角度是 35 度 15 分,也就是 35.25 度,它的曲線就是圖中上面算下來第二條線,可以看出來它在 -10℃ 到 70℃ 這個區間的線性相當平坦,但超過這個區間後就會開始快速變化。

我們可以藉由控制切割角度來讓石英晶體的溫度特性最佳化,但是卻沒辦法完全避免溫度對石英晶體造成的頻率偏移,因爲這是它的物理特性之一。

當我們真的要一個很準的時脈頻率時,最好的方法就是連石英晶體的工作溫度都一起控制。

舉個例子。你手上的石英錶,裡面多半使用一種切成音叉形狀的石英晶體當作時脈頻率來源,頻率是 32.768 KHz,也就是 32768 Hz。把這個頻率用二進位除頻電路除以二連除 15 次後,就會得到 1 Hz 的頻率,可以用來驅動秒針。

(圖片來源:Bird 提供)

音叉型切割的石英晶體有拋物線型的頻率特性曲線,溫度變高或變低時,它的共振頻率都會偏低,而在  20℃ 到 30℃ 這個區間,它的頻率是最準確的。

如果你每天都把手錶帶在手上,你的體溫會爲石英錶提供一個極爲穩定的溫度環境,讓石英晶體工作在最準確的溫度區間內。如果在室溫 10℃ 的地方,你將手錶拿下來靜置,根據上圖,這個石英晶體的頻率大概會有 -10 ppm 左右的偏差。

一天有 86400 秒,-10 ppm 的誤差大概會讓石英錶在一天之中慢個 0.86 秒。看似不大的誤差,每天累積起來也是很可觀:每週就是 6 秒,每個月就是 25 秒,但由於石英錶幾乎是時時刻刻都帶在手腕上的,而且絕大多數的人都會讓錶背與皮膚接觸,人體恆定的體溫正好爲石英錶提供了一個穩定的溫度環境,造就了石英錶優異的精確度。

當然在實務上並非所有的電子產品都能有人體幫忙控制溫度,這時候就要靠別的招數來降低溫度對石英晶體振盪頻率的影響。

有種石英晶體振盪器元件叫做 TCXO,全名是 temperature-compensated crystal oscillator,它裡面除了有石英晶體外,連振盪電路都包含進去了,因此只要加上電源它就可以輸出穩定的時脈訊號。除此之外,它裡面的振盪電路會感應環境的溫度,並用改變負載電容的方式去補償因溫度變化造成的頻率偏移(還記得嗎?我們上一回說過,石英晶體振盪電路中的兩個負載電容可以用來微調振盪頻率)。

還有另一種石英晶體振盪器元件叫做 OCXO – oven-controlled crystal oscillator。這種零件更很,它用加熱的方式讓石英晶體維持在一個恆定的工作溫度,因爲石英晶體就像被放在一個烤箱裡面,所以叫做 oven-controlled。

TCXO 的溫度穩定度可以做到 0.5 ppm 以下,而 OCXO 則可以做到 0.01 ppm 以下。由於 OCXO 內部的加熱電路需要時間讓石英晶體到達設定的工作溫度,因此 OCXO 開機後需要一小段時間才能達到最佳的精確度,這也是爲什麼很多以 OCXO 爲時脈基礎的儀器都會在使用手冊上告訴你,要暖機多久才能達到這個儀器的最佳精確度。

小結

這一回是石英晶體的原理與應用系列文章的最後一回,我們探討了影響石英晶體頻率精確度的幾個重要因素,以及實務上可以有什麼方法來補償它們。希望讀者們能藉此對這個幾乎所有系統中都需要的時脈元件,能有更深入的認識。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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