Caracterizando desvios de frequência de cristais de quartzo:tolerância de frequência, estabilidade de frequência e envelhecimento

Saiba mais sobre algumas das características mais importantes dos desvios de frequência do cristal de quartzo.

A operação confiável de praticamente todos os sistemas eletrônicos depende de uma referência de tempo precisa. Os cristais de quartzo têm um fator de alta qualidade e oferecem uma solução de temporização confiável, estável e econômica. Por ser um dispositivo eletromecânico, os cristais de quartzo não são tão intuitivos quanto outros dispositivos passivos, como resistores, capacitores e indutores. Eles são materiais piezoelétricos que convertem uma deformação mecânica em uma voltagem proporcional em seus terminais e vice-versa.

Este artigo investiga três importantes métricas usadas para caracterizar os desvios na frequência de ressonância de um cristal de quartzo:tolerância de frequência, estabilidade de frequência e envelhecimento.

Tolerância de frequência

A tolerância de frequência especifica o desvio de frequência máximo da frequência nominal do cristal a 25 ° C. Como exemplo, considere um cristal de 32768 Hz com uma tolerância de frequência de ± 20 ppm. A frequência de oscilação real deste cristal a 25 ° C pode estar em qualquer lugar entre 32.768.65536 e 32.767.34464 Hz. Podemos nos referir a essa variação de frequência como tolerância de produção, uma vez que se origina de variações normais nos processos de fabricação e montagem. Os cristais estão geralmente disponíveis em valores de tolerância fixos com alguns valores típicos sendo ± 20 ppm, ± 50 ppm e ± 100 ppm. Embora seja possível solicitar um cristal com uma tolerância de frequência específica, por exemplo, um cristal de ± 5 ppm, os cristais feitos sob medida são mais caros.

Estabilidade de frequência

Enquanto a tolerância de frequência caracteriza a tolerância de produção do dispositivo a 25 ° C, a métrica de estabilidade de frequência especifica a variação de frequência máxima ao longo da faixa de temperatura operacional. A Figura 1 mostra a variação da frequência com a temperatura para um cristal de corte AT típico.

Figura 1. Imagem cortesia da NXP.

Neste exemplo, o dispositivo exibe uma variação de frequência máxima de cerca de ± 12 ppm ao longo de uma faixa de temperatura de -40 ° C a +85 ° C. Observe que a frequência de oscilação a 25 ° C é usada como ponto de referência (o desvio é zero nesta temperatura).

Você pode se perguntar por qual mecanismo uma mudança de temperatura causa uma mudança na frequência de ressonância? Na verdade, o tamanho do cristal muda ligeiramente com a temperatura. Uma vez que a frequência ressonante depende do tamanho do cristal, as variações de temperatura resultam em uma mudança em sua frequência.

Ao projetar um circuito eletrônico, não podemos confiar na especificação de tolerância de frequência para determinar a precisão do tempo, especialmente quando o sistema vai ser exposto a condições extremas de temperatura. Por exemplo, com um dispositivo portátil freqüentemente deixado nas mãos ou um sistema operando no Alasca, ignorar a estabilidade da frequência do cristal pode impedir que o sistema atinja o orçamento de tempo alvo.

A resposta à temperatura depende do tipo de corte de cristal

A curva de frequência x temperatura de um cristal depende do tipo de corte usado durante a fabricação. O tipo de corte se refere ao ângulo no qual as barras de quartzo são cortadas para criar bolachas de cristal. Enquanto um cristal cortado com AT exibe uma curva de estabilidade de temperatura cúbica (Figura 1), os cristais cortados com BT apresentam uma curva parabólica (Figura 2).

Figura 2. Imagem cortesia da Epson.

Nas Figuras 1 e 2, observamos que os cristais com corte AT apresentam mudanças de frequência relativamente menores em sua faixa de temperatura operacional. A curva de temperatura dos cristais com corte AT também é desejada de outro ponto de vista. Conforme mostrado na Figura 2, a frequência de ressonância do corte BT é menor do que seu valor nominal em ambos os lados da temperatura ambiente. Isso está em contraste com a curva de corte AT representada (Figura 1), onde a frequência de oscilação é maior do que o valor nominal abaixo de 25 ° C e menor do que o valor nominal acima de 25 ° C. Se o cristal for usado em uma aplicação de cronometragem, esse recurso de corte AT pode levar a uma maior precisão porque o erro produzido pelas variações de temperatura pode chegar a zero em média. Devido às suas características de temperatura superiores, os cristais com corte AT estão entre os tipos de cristal mais amplamente usados.

Vale a pena mencionar que existem muitos outros tipos de corte, como corte XY, corte SC e corte IT. Cada tipo de corte pode oferecer um conjunto diferente de recursos. Desempenho de temperatura, sensibilidade ao estresse mecânico, tamanho para uma determinada frequência nominal, impedância, envelhecimento e custo são alguns dos parâmetros que são afetados pelo tipo de corte.

Alguns valores comuns para estabilidade de frequência são ± 20 ppm, ± 50 ppm e ± 100 ppm em uma faixa de temperatura especificada. Novamente, é possível solicitar cristais feitos sob medida com estabilidade de frequência superior, por exemplo ± 10 ppm acima de -40 ° C a +85 ° C; no entanto, esses cristais serão proibitivamente caros para todos, exceto para as aplicações mais exigentes. A Figura 3 mostra como um requisito de estabilidade rígida limita a escolha do ângulo de corte. Isso leva a um processo de fabricação desafiador e a um produto com custo proibitivo.

Figura 3. Imagem cortesia de IQD Frequency Products.

Resposta à temperatura de cristais sobredimensionados

Há um limite superior para a potência que pode ser dissipada com segurança em um cristal. Isso é especificado como o nível do drive na folha de dados do dispositivo e está na faixa de microwatt a miliwatt. Nos próximos artigos desta série, discutiremos a métrica de nível de impulso em detalhes.

Aqui, eu gostaria apenas de mencionar como exceder o nível máximo do drive pode degradar significativamente a estabilidade da frequência do cristal. A Figura 4 mostra a curva de frequência vs temperatura de alguns cristais com um nível de drive apropriado (10 µW neste exemplo). Uma mudança suave na frequência ressonante é observável.

Figura 4. Imagem cortesia de Raltron.

No entanto, com cristais com overdrive a 500 μW, teremos respostas de temperatura erráticas, conforme mostrado na Figura 5.

Figura 5. Imagem cortesia de Raltron.

Efeito do envelhecimento

Infelizmente, os cristais envelhecem tanto quanto nós! O envelhecimento afeta a frequência de ressonância do cristal. Existem vários mecanismos diferentes de envelhecimento. Por exemplo, o cristal pode sofrer algum estresse mecânico ao ser montado no PCB. Com o tempo, o estresse da estrutura de montagem pode reduzir e levar a uma mudança na frequência de ressonância.

Outro mecanismo de envelhecimento é a contaminação do cristal. Com o passar do tempo, pedaços microscópicos de poeira caem ou caem na superfície do quartzo, levando a uma mudança na massa do cristal e, conseqüentemente, em sua frequência de ressonância. Outro fator que afeta o envelhecimento do cristal é seu nível de acionamento. Abaixar o nível do drive pode reduzir os efeitos do envelhecimento. O efeito de envelhecimento que um cristal com overdrive experimenta em um mês pode ser tanto quanto o de um cristal com 1 ano de idade que é acionado no nível de potência nominal. A Figura 6 mostra um gráfico de envelhecimento típico.

Figura 6. Imagem cortesia de Hui Zhou.

Observe que o gráfico de envelhecimento nem sempre é uma função suave e pode haver uma reversão da direção do envelhecimento quando dois ou mais mecanismos diferentes de envelhecimento estão presentes. Além disso, observe que o efeito do envelhecimento diminui com o tempo. A maior parte do envelhecimento ocorre durante o primeiro ano. Por exemplo, um cristal de 5 anos exibe mudanças de frequência induzidas pelo envelhecimento muito menores em comparação com um de 1 ano de idade.

Erro de frequência total

A tolerância total de um cristal pode ser obtida adicionando os erros contribuídos pelas três especificações acima, isto é, tolerância de frequência, estabilidade de frequência e envelhecimento. Esta tolerância máxima total é algumas vezes referida como a estabilidade total, conforme mostrado na Figura 7.

Figura 7. Componentes de estabilidade total. Imagem cortesia da Silicon Labs.

Por exemplo, com uma tolerância de frequência de ± 10 ppm, estabilidade de frequência de ± 20 ppm em uma faixa de temperatura de -40 ° C a +85 ° C e envelhecimento de ± 3 ppm durante o primeiro ano; esperamos que o erro de frequência total seja de ± 33 ppm nas condições especificadas.

Com base no erro de frequência total, podemos determinar se um determinado cristal pode ou não satisfazer os requisitos de uma aplicação. Por exemplo, o desvio da frequência do cristal leva a um desvio semelhante na frequência da portadora dos ASICs de RF. Podemos usar o erro de frequência total para determinar se um determinado cristal pode atender aos requisitos de precisão do relógio de uma aplicação. Como exemplo, com o padrão 802.15.4, o desvio máximo na frequência da portadora é de 40 ppm. No entanto, para Bluetooth de baixa energia, há um requisito mais restrito de 20 ppm. Portanto, um cristal com um erro de frequência total de ± 30 ppm pode ser usado com um produto RF 802.15.4. No entanto, o mesmo cristal não pode ser usado para aplicativos de Bluetooth de baixa energia. No próximo artigo, continuaremos esta discussão e examinaremos os outros parâmetros importantes que afetam a estabilidade e confiabilidade da frequência de saída do cristal.

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