|

【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。

本文為會員限定文章

立即加入會員! 全站文章無限看~

                               

已經是會員? 按此登入

只需不到短短一分鐘...

輸入您的信箱與ID註冊即可享有一切福利!

會員福利
1

免費電子報

2

會員搶先看

3

主題訂閱

4

好文收藏

Liang Bird

Author: Liang 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。

Share This Post On

Submit a Comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *