석영 결정의 주파수 편차 특성화:주파수 허용 오차, 주파수 안정성 및 노화

수정 주파수 편차의 가장 중요한 특성에 대해 알아보십시오.

거의 모든 전자 시스템의 안정적인 작동은 정확한 타이밍 참조에 의존합니다. 석영 크리스털은 높은 품질 요소를 가지며 안정적이고 안정적이며 비용 효율적인 타이밍 솔루션을 제공합니다. 전기 기계 장치이기 때문에 수정은 저항기, 커패시터 및 인덕터와 같은 다른 수동 장치만큼 직관적이지 않습니다. 이는 기계적 변형을 단자 양단의 비례 전압으로 또는 그 반대로 변환하는 압전 재료입니다.

이 기사에서는 수정 공진 주파수의 편차를 특성화하는 데 사용되는 세 가지 중요한 측정 기준인 주파수 허용 오차, 주파수 안정성 및 노화에 대해 자세히 설명합니다.

주파수 허용 오차

주파수 허용 오차는 25°C에서 공칭 수정 주파수로부터의 최대 주파수 편차를 지정합니다. 예를 들어 주파수 허용 오차가 ±20ppm인 32768Hz 수정을 생각해 보십시오. 25°C에서 이 수정의 실제 진동 주파수는 32768.65536에서 32,767.34464Hz 사이일 수 있습니다. 이 주파수 변동은 제조 및 조립 공정의 정상적인 변동에서 비롯되기 때문에 생산 허용 오차라고 할 수 있습니다. 크리스탈은 일반적으로 ±20ppm, ±50ppm 및 ±100ppm의 일부 일반적인 값과 함께 고정된 허용 오차 값에서 사용할 수 있습니다. 특정 주파수 허용 오차(예:±5ppm 수정)를 가진 수정을 요청할 수 있지만 맞춤 제작 수정은 더 비쌉니다.

주파수 안정성

주파수 허용 오차는 25°C에서 장치 생산 허용 오차를 특성화하는 반면 주파수 안정성 메트릭은 작동 온도 범위에서 최대 주파수 변화를 지정합니다. 그림 1은 일반적인 AT 컷 수정의 온도에 따른 주파수 변화를 보여줍니다.

그림 1. NXP의 이미지 제공

이 예에서 장치는 -40°C ~ +85°C의 온도 범위에서 약 ±12ppm의 최대 주파수 변화를 나타냅니다. 25°C에서의 진동 주파수가 기준점으로 사용된다는 점에 유의하십시오(편차는 이 온도에서 0입니다).

온도 변화가 공진 주파수의 변화를 일으키는 메커니즘이 무엇인지 궁금할 것입니다. 실제로 결정의 크기는 온도에 따라 약간 변합니다. 공진 주파수는 결정 크기에 따라 달라지므로 온도 변화에 따라 주파수가 변경됩니다.

전자 회로를 설계할 때 특히 시스템이 극한의 온도 조건에 노출될 때 타이밍 정확도를 결정하기 위해 주파수 허용 오차 사양에 의존할 수 없습니다. 예를 들어, 휴대용 장치를 핫슨에 자주 남겨두거나 알래스카에서 작동하는 시스템에서 수정 주파수 안정성을 무시하면 시스템이 목표 타이밍 예산을 충족하지 못할 수 있습니다.

크리스탈 컷 유형에 따른 온도 반응

수정의 주파수 대 온도 곡선은 제조 중에 사용된 절단 유형에 따라 다릅니다. 절단 유형은 수정 웨이퍼를 만들기 위해 석영 막대를 절단하는 각도를 나타냅니다. AT 컷 결정은 입방체 온도 안정성 곡선을 나타내는 반면(그림 1), BT 컷 결정은 포물선 곡선을 나타냅니다(그림 2).

그림 2. 이미지 제공:Epson.

그림 1과 2에서 AT 컷 크리스털은 작동 온도 범위에서 주파수 변화가 상대적으로 더 작다는 것을 알 수 있습니다. AT-cut 결정체의 온도 곡선은 다른 관점에서도 바람직합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 BT 컷의 공진 주파수는 실내 온도의 양쪽에서 공칭 값보다 낮습니다. 이것은 발진 주파수가 25°C 미만의 공칭 값보다 높고 25°C 이상의 공칭 값보다 낮은 표시된 AT 컷 곡선(그림 1)과 대조됩니다. 수정이 시간 측정 애플리케이션에 사용되는 경우 AT-cut의 이 기능은 온도 변화에 의해 생성된 오류가 평균 0이 될 수 있기 때문에 더 높은 정확도로 이어질 수 있습니다. 우수한 온도 특성으로 인해 AT 컷 결정은 가장 널리 사용되는 결정 유형 중 하나입니다.

XY-컷, SC-컷 및 IT-컷과 같은 다른 많은 컷 유형이 있음을 언급할 가치가 있습니다. 각 절단 유형은 다른 기능 세트를 제공할 수 있습니다. 온도 성능, 기계적 응력에 대한 민감도, 주어진 공칭 주파수에 대한 크기, 임피던스, 노화 및 비용은 절단 유형에 의해 영향을 받는 일부 매개변수입니다.

주파수 안정성에 대한 몇 가지 일반적인 값은 지정된 온도 범위에서 ±20ppm, ±50ppm 및 ±100ppm입니다. 다시 말하지만, -40°C ~ +85°C에서 ±10ppm과 같이 주파수 안정성이 우수한 맞춤형 크리스털을 주문할 수 있습니다. 그러나 그러한 결정은 가장 까다로운 응용 분야를 제외한 모든 응용 분야에서 엄청나게 비쌀 것입니다. 그림 3은 엄격한 안정성 요구 사항이 절단 각도 선택을 제한하는 방법을 보여줍니다. 이는 까다로운 제조 공정과 엄청난 비용의 제품으로 이어집니다.

그림 3. 이미지 제공:IQD Frequency Products.

과동 결정의 온도 반응

크리스탈에서 안전하게 소산될 수 있는 전력에는 상한선이 있습니다. 이것은 장치 데이터시트에서 드라이브 레벨로 지정되며 마이크로와트에서 밀리와트 범위입니다. 이 시리즈의 다음 기사에서는 드라이브 수준 측정항목에 대해 자세히 설명합니다.

여기에서 최대 드라이브 레벨을 초과하면 크리스털 주파수 안정성이 크게 저하될 수 있다는 점을 언급하고 싶습니다. 그림 4는 적절한 구동 레벨(이 예에서는 10μW)이 있는 일부 수정의 주파수 대 온도 곡선을 보여줍니다. 공진 주파수의 부드러운 변화를 관찰할 수 있습니다.

그림 4. 이미지 제공:Raltron.

그러나 500μW에서 과구동된 결정을 사용하면 그림 5와 같이 불규칙한 온도 응답이 나타납니다.

그림 5. 이미지 제공:Raltron.

노화 효과

슬프게도 수정은 우리가 늙는 것처럼 늙습니다! 노화는 수정의 공진 주파수에 영향을 미칩니다. 노화 메커니즘에는 여러 가지가 있습니다. 예를 들어, 수정은 PCB에 장착될 때 약간의 기계적 스트레스를 경험할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 장착 구조의 응력이 감소하여 공진 주파수가 변경될 수 있습니다.

또 다른 노화 메커니즘은 크리스탈 오염입니다. 시간이 지남에 따라 미세한 먼지 조각이 석영 표면에 떨어지거나 떨어져 수정 질량과 결과적으로 공진 주파수가 변경됩니다. 크리스탈 노화에 영향을 미치는 또 다른 요소는 드라이브 레벨입니다. 드라이브 레벨을 낮추면 노화 효과를 줄일 수 있습니다. 한 달 동안 과구동된 크리스탈이 경험하는 노화 효과는 정격 전력 수준에서 구동되는 1년 된 크리스탈의 노화 효과와 비슷할 수 있습니다. 그림 6은 일반적인 노화 플롯을 보여줍니다.

그림 6. 이미지 제공:Hui Zhou.

노화 플롯이 항상 부드러운 함수는 아니며 둘 이상의 서로 다른 노화 메커니즘이 있는 경우 노화 방향이 반전될 수 있습니다. 게다가, 노화 효과는 시간이 지남에 따라 감소합니다. 대부분의 노화는 첫해에 발생합니다. 예를 들어, 5년 된 수정은 1년 된 수정에 비해 노화로 인한 주파수 변화가 훨씬 더 작습니다.

총 주파수 오류

수정의 총 허용 오차는 위의 세 가지 사양, 즉 주파수 허용 오차, 주파수 안정성 및 노화로 인한 오류를 추가하여 얻을 수 있습니다. 이 총 최대 허용 오차는 그림 7과 같이 총 안정성이라고도 합니다.

그림 7. 전체 안정성의 구성 요소. 이미지 제공:Silicon Labs.

예를 들어, ±10ppm의 주파수 허용 오차, -40°C ~ +85°C의 온도 범위에서 ±20ppm의 주파수 안정성, 첫 해에 ±3ppm의 노화; 지정된 조건에서 총 주파수 오류는 ±33ppm이 될 것으로 예상합니다.

총 주파수 오류를 기반으로 주어진 크리스털이 애플리케이션의 요구 사항을 충족할 수 있는지 여부를 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 수정 주파수 편차는 RF ASIC의 캐리어 주파수에서 유사한 편차를 유발합니다. 주어진 크리스털이 애플리케이션의 클록 정확도 요구 사항을 충족할 수 있는지 판단하기 위해 총 주파수 오류를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 802.15.4 표준에서 반송파 주파수의 최대 편차는 40ppm입니다. 그러나 Bluetooth Low Energy의 경우 20ppm의 더 엄격한 요구 사항이 있습니다. 따라서 총 주파수 오차가 ±30ppm인 수정을 802.15.4 RF 제품과 함께 사용할 수 있습니다. 그러나 Bluetooth 저에너지 응용 프로그램에는 동일한 수정을 사용할 수 없습니다. 다음 기사에서 우리는 이 논의를 계속하고 크리스털 출력 주파수의 안정성과 신뢰성에 영향을 미치는 다른 중요한 매개변수를 살펴볼 것입니다.

내 기사의 전체 목록을 보려면 이 페이지를 방문하십시오.