Caracterización de las desviaciones de frecuencia de los cristales de cuarzo:tolerancia de frecuencia, estabilidad de frecuencia y envejecimiento

Conozca algunas de las características más importantes de las desviaciones de frecuencia del cristal de cuarzo.

El funcionamiento confiable de prácticamente todos los sistemas electrónicos se basa en tener una referencia de sincronización precisa. Los cristales de cuarzo tienen un factor de alta calidad y ofrecen una solución de sincronización confiable, estable y rentable. Al ser un dispositivo electromecánico, los cristales de cuarzo no son tan intuitivos como otros dispositivos pasivos como resistencias, condensadores e inductores. Son materiales piezoeléctricos que convierten una deformación mecánica en un voltaje proporcional a través de sus terminales y viceversa.

Este artículo profundiza para discutir tres de las métricas importantes que se utilizan para caracterizar las desviaciones en la frecuencia de resonancia de un cristal de cuarzo:tolerancia de frecuencia, estabilidad de frecuencia y envejecimiento.

Tolerancia de frecuencia

La tolerancia de frecuencia especifica la desviación máxima de frecuencia de la frecuencia nominal del cristal a 25 ° C. Como ejemplo, considere un cristal de 32768 Hz con una tolerancia de frecuencia de ± 20 ppm. La frecuencia de oscilación real de este cristal a 25 ° C puede estar entre 32768.65536 y 32,767.34464 Hz. Podemos referirnos a esta variación de frecuencia como la tolerancia de producción, ya que se origina a partir de variaciones normales en los procesos de fabricación y ensamblaje. Los cristales suelen estar disponibles con valores de tolerancia fijos, con algunos valores típicos de ± 20 ppm, ± 50 ppm y ± 100 ppm. Si bien es posible solicitar un cristal con una tolerancia de frecuencia específica, por ejemplo, un cristal de ± 5 ppm, los cristales hechos a medida son más caros.

Estabilidad de frecuencia

Mientras que la tolerancia de frecuencia caracteriza la tolerancia de producción del dispositivo a 25 ° C, la métrica de estabilidad de frecuencia especifica la variación de frecuencia máxima en el rango de temperatura de funcionamiento. La Figura 1 muestra la variación de frecuencia con la temperatura para un cristal de corte AT típico.

Figura 1. Imagen cortesía de NXP.

En este ejemplo, el dispositivo exhibe una variación de frecuencia máxima de aproximadamente ± 12 ppm en un rango de temperatura de -40 ° C a +85 ° C. Tenga en cuenta que la frecuencia de oscilación a 25 ° C se utiliza como punto de referencia (la desviación es cero a esta temperatura).

Quizás se pregunte a través de qué mecanismo un cambio de temperatura provoca un cambio en la frecuencia de resonancia. De hecho, el tamaño del cristal cambia ligeramente con la temperatura. Dado que la frecuencia de resonancia depende del tamaño del cristal, las variaciones de temperatura provocan un cambio en su frecuencia.

Al diseñar un circuito electrónico, no podemos confiar en la especificación de tolerancia de frecuencia para determinar la precisión de la sincronización, especialmente cuando el sistema va a estar expuesto a condiciones de temperatura extremas. Por ejemplo, con un dispositivo portátil que se deja frecuentemente en el hot son o un sistema que funciona en Alaska, ignorar la estabilidad de la frecuencia del cristal puede evitar que el sistema cumpla con el presupuesto de temporización objetivo.

La respuesta a la temperatura depende del tipo de corte de cristal

La curva de frecuencia frente a temperatura de un cristal depende del tipo de corte utilizado durante la fabricación. El tipo de corte se refiere al ángulo en el que se cortan las barras de cuarzo para crear obleas de cristal. Mientras que un cristal de corte AT exhibe una curva de estabilidad de temperatura cúbica (Figura 1), los cristales de corte BT tienen una curva parabólica (Figura 2).

Figura 2. Imagen cortesía de Epson.

En las Figuras 1 y 2, observamos que los cristales de corte AT tienen cambios de frecuencia relativamente más pequeños en su rango de temperatura de funcionamiento. La curva de temperatura de los cristales de corte AT también se desea desde otro punto de vista. Como se muestra en la Figura 2, la frecuencia de resonancia del BT-cut es menor que su valor nominal en cualquier lado de la temperatura ambiente. Esto contrasta con la curva de corte AT representada (Figura 1) donde la frecuencia de oscilación es mayor que el valor nominal por debajo de 25 ° C y menor que el valor nominal por encima de 25 ° C. Si el cristal se utiliza en una aplicación de cronometraje, esta característica de AT-cut puede conducir a una mayor precisión porque el error producido por las variaciones de temperatura puede promediar a cero. Debido a sus características superiores de temperatura, los cristales de corte AT se encuentran entre los tipos de cristales más utilizados.

Vale la pena mencionar que existen muchos otros tipos de corte, como el corte XY, el corte SC y el corte IT. Cada tipo de corte puede ofrecer un conjunto diferente de características. El rendimiento de la temperatura, la sensibilidad a la tensión mecánica, el tamaño para una frecuencia nominal determinada, la impedancia, el envejecimiento y el costo son algunos de los parámetros que se ven afectados por el tipo de corte.

Algunos valores comunes para la estabilidad de la frecuencia son ± 20 ppm, ± 50 ppm y ± 100 ppm en un rango de temperatura especificado. Nuevamente, es posible pedir cristales hechos a medida con una estabilidad de frecuencia superior, por ejemplo, ± 10 ppm por encima de -40 ° C a +85 ° C; sin embargo, dichos cristales serán prohibitivamente caros para todas las aplicaciones excepto para las más exigentes. La Figura 3 muestra cómo un estricto requisito de estabilidad limita la elección del ángulo de corte. Esto conduce a un proceso de fabricación desafiante y a un producto con un costo prohibitivo.

Figura 3. Imagen cortesía de IQD Frequency Products.

Respuesta a la temperatura de cristales saturados

Existe un límite superior para el poder que se puede disipar de forma segura en un cristal. Esto se especifica como el nivel de unidad en la hoja de datos del dispositivo y está en el rango de microvatios a milivatios. En los próximos artículos de esta serie, analizaremos la métrica del nivel de impulso con gran detalle.

Aquí, solo me gustaría mencionar cómo exceder el nivel máximo de manejo puede degradar significativamente la estabilidad de la frecuencia del cristal. La Figura 4 muestra la curva de frecuencia vs temperatura de algunos cristales con un nivel de excitación apropiado (10 µW en este ejemplo). Se puede observar un cambio suave en la frecuencia de resonancia.

Figura 4. Imagen cortesía de Raltron.

Sin embargo, con cristales saturados a 500 μW, tendremos respuestas de temperatura erráticas como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Imagen cortesía de Raltron.

Efecto del envejecimiento

Lamentablemente, los cristales envejecen como nosotros. El envejecimiento afecta la frecuencia de resonancia del cristal. Existen varios mecanismos de envejecimiento diferentes. Por ejemplo, el cristal puede experimentar cierta tensión mecánica cuando se monta en la PCB. Con el tiempo, la tensión de la estructura de montaje puede reducirse y provocar un cambio en la frecuencia de resonancia.

Otro mecanismo de envejecimiento es la contaminación por cristales. A medida que pasa el tiempo, partículas microscópicas de polvo caen o caen sobre la superficie del cuarzo, lo que provoca un cambio en la masa del cristal y, en consecuencia, en su frecuencia de resonancia. Otro factor que afecta el envejecimiento del cristal es su nivel de impulso. Bajar el nivel de conducción puede reducir los efectos del envejecimiento. El efecto de envejecimiento que experimenta un cristal saturado en un mes puede ser tanto como el de un cristal de 1 año que se maneja al nivel de potencia nominal. La Figura 6 muestra una gráfica de envejecimiento típica.

Figura 6. Imagen cortesía de Hui Zhou.

Tenga en cuenta que el gráfico de envejecimiento no siempre es una función uniforme y puede haber una inversión de la dirección del envejecimiento cuando están presentes dos o más mecanismos de envejecimiento diferentes. Además, observe que el efecto de envejecimiento se reduce con el tiempo. La mayor parte del envejecimiento ocurre durante el primer año. Por ejemplo, un cristal de 5 años exhibe cambios de frecuencia mucho más pequeños inducidos por el envejecimiento en comparación con uno de 1 año.

Error de frecuencia total

La tolerancia total de un cristal se puede obtener sumando los errores contribuidos por las tres especificaciones anteriores, es decir, tolerancia de frecuencia, estabilidad de frecuencia y envejecimiento. Esta tolerancia máxima total a veces se denomina estabilidad total, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Componentes de la estabilidad total. Imagen cortesía de Silicon Labs.

Por ejemplo, con una tolerancia de frecuencia de ± 10 ppm, estabilidad de frecuencia de ± 20 ppm en un rango de temperatura de -40 ° C a +85 ° C y envejecimiento de ± 3 ppm durante el primer año; esperamos que el error de frecuencia total sea de ± 33 ppm en las condiciones especificadas.

Basándonos en el error de frecuencia total, podemos determinar si un cristal dado puede satisfacer los requisitos de una aplicación. Por ejemplo, la desviación de la frecuencia del cristal conduce a una desviación similar en la frecuencia portadora de los ASIC de RF. Podemos usar el error de frecuencia total para determinar si un cristal dado puede cumplir con el requisito de precisión de reloj de una aplicación. Por ejemplo, con el estándar 802.15.4, la desviación máxima en la frecuencia de la portadora es de 40 ppm. Sin embargo, para Bluetooth Low Energy, existe un requisito más estricto de 20 ppm. Por lo tanto, se puede utilizar un cristal con un error de frecuencia total de ± 30 ppm con un producto de RF 802.15.4. Sin embargo, el mismo cristal no se puede utilizar para aplicaciones de Bluetooth Low Energy. En el próximo artículo, continuaremos esta discusión y veremos otros parámetros importantes que afectan la estabilidad y confiabilidad de la frecuencia de salida del cristal.

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