Mengkarakterisasi Penyimpangan Frekuensi Kristal Kuarsa:Toleransi Frekuensi, Stabilitas Frekuensi, dan Penuaan

Pelajari tentang beberapa karakteristik terpenting dari penyimpangan frekuensi kristal kuarsa.

Pengoperasian yang andal dari hampir setiap sistem elektronik bergantung pada referensi waktu yang akurat. Kristal kuarsa memiliki faktor kualitas tinggi dan menawarkan solusi pengaturan waktu yang andal, stabil, dan hemat biaya. Menjadi perangkat elektro-mekanis, kristal kuarsa tidak seintuitif perangkat pasif lainnya seperti resistor, kapasitor dan induktor. Mereka adalah bahan piezoelektrik yang mengubah deformasi mekanis menjadi tegangan proporsional di seluruh terminalnya dan sebaliknya.

Artikel ini membahas untuk membahas tiga metrik penting yang digunakan untuk mengkarakterisasi penyimpangan dalam frekuensi resonansi kristal kuarsa:toleransi frekuensi, stabilitas frekuensi, dan penuaan.

Toleransi Frekuensi

Toleransi frekuensi menentukan penyimpangan frekuensi maksimum dari frekuensi kristal nominal pada 25 °C. Sebagai contoh, pertimbangkan kristal 32768 Hz dengan toleransi frekuensi ±20 ppm. Frekuensi osilasi aktual kristal ini pada 25 °C dapat berkisar antara 32768.65536 dan 32.767.34464 Hz. Kita dapat menyebut variasi frekuensi ini sebagai toleransi produksi karena berasal dari variasi normal dalam proses fabrikasi dan perakitan. Kristal biasanya tersedia pada nilai toleransi tetap dengan beberapa nilai tipikal ±20 ppm, ±50 ppm, dan ±100 ppm. Meskipun dimungkinkan untuk meminta kristal dengan toleransi frekuensi tertentu, misalnya kristal ±5 ppm, kristal yang dibuat khusus lebih mahal.

Stabilitas Frekuensi

Sementara toleransi frekuensi mencirikan toleransi produksi perangkat pada 25 °C, metrik stabilitas frekuensi menentukan variasi frekuensi maksimum pada rentang suhu pengoperasian. Gambar 1 menunjukkan variasi frekuensi dengan suhu untuk kristal AT-cut yang khas.

Gambar 1. Gambar milik NXP.

Dalam contoh ini, perangkat menunjukkan variasi frekuensi maksimum sekitar ±12 ppm pada rentang suhu -40 °C hingga +85 °C. Perhatikan bahwa frekuensi osilasi pada 25 °C digunakan sebagai titik referensi (deviasi nol pada suhu ini).

Anda mungkin bertanya-tanya melalui mekanisme apa perubahan suhu menyebabkan perubahan frekuensi resonansi? Sebenarnya ukuran kristal sedikit berubah dengan suhu. Karena frekuensi resonansi tergantung pada ukuran kristal, variasi suhu menghasilkan perubahan frekuensi.

Saat merancang rangkaian elektronik, kita tidak dapat mengandalkan spesifikasi toleransi frekuensi untuk menentukan akurasi waktu terutama ketika sistem akan terkena kondisi suhu yang ekstrim. Misalnya, dengan perangkat portabel yang sering tertinggal di hot son atau sistem yang beroperasi di Alaska, mengabaikan stabilitas frekuensi kristal dapat mencegah sistem memenuhi anggaran waktu target.

Respons Suhu Tergantung pada Jenis Pemotongan Kristal

Kurva frekuensi vs. suhu kristal tergantung pada jenis potongan yang digunakan selama pembuatan. Jenis potongan mengacu pada sudut di mana batang kuarsa dipotong untuk membuat wafer kristal. Sementara kristal AT-cut menunjukkan kurva stabilitas suhu kubik (Gambar 1), kristal BT-cut memiliki kurva parabola (Gambar 2).

Gambar 2. Gambar milik Epson.

Dari Gambar 1 dan 2, kami mengamati bahwa kristal AT-cut memiliki perubahan frekuensi yang relatif lebih kecil pada rentang suhu operasinya. Kurva suhu kristal AT-cut juga diinginkan dari sudut pandang lain. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, frekuensi resonansi BT-cut lebih rendah dari nilai nominalnya di kedua sisi suhu ruangan. Hal ini berbeda dengan kurva AT-cut yang digambarkan (Gambar 1) di mana frekuensi osilasi lebih tinggi dari nilai nominal di bawah 25 °C dan lebih rendah dari nilai nominal di atas 25 °C. Jika kristal digunakan dalam aplikasi pengatur waktu, fitur AT-cut ini dapat menghasilkan akurasi yang lebih tinggi karena kesalahan yang dihasilkan oleh variasi suhu rata-rata dapat mencapai nol. Karena karakteristik suhu yang unggul, kristal AT-cut adalah salah satu jenis kristal yang paling banyak digunakan.

Perlu disebutkan bahwa ada banyak jenis potong lainnya seperti XY-cut, SC-cut dan IT-cut. Setiap jenis potongan dapat menawarkan serangkaian fitur yang berbeda. Kinerja suhu, kepekaan terhadap tekanan mekanis, ukuran untuk frekuensi nominal tertentu, impedansi, penuaan dan biaya adalah beberapa parameter yang dipengaruhi oleh jenis pemotongan.

Beberapa nilai umum untuk stabilitas frekuensi adalah ±20 ppm, ±50 ppm dan ±100 ppm pada rentang suhu tertentu. Sekali lagi, dimungkinkan untuk memesan kristal yang dibuat khusus dengan stabilitas frekuensi yang unggul, misalnya ±10 ppm di atas -40 °C hingga +85 °C; namun, kristal seperti itu akan sangat mahal untuk semua aplikasi kecuali yang paling menuntut. Gambar 3 menunjukkan bagaimana persyaratan stabilitas yang ketat membatasi pilihan sudut pemotongan. Ini mengarah pada proses manufaktur yang menantang dan produk yang hemat biaya.

Gambar 3. Gambar milik Produk Frekuensi IQD.

Respons Suhu Kristal Berlebihan

Ada batas atas untuk daya yang dapat dihamburkan dengan aman dalam kristal. Ini ditentukan sebagai level drive dalam lembar data perangkat dan dalam kisaran mikrowatt hingga miliwatt. Dalam artikel berikutnya dalam seri ini, kita akan membahas metrik tingkat drive dengan sangat mendetail.

Di sini, saya hanya ingin menyebutkan bagaimana melebihi tingkat drive maksimum dapat secara signifikan menurunkan stabilitas frekuensi kristal. Gambar 4 menunjukkan kurva frekuensi vs suhu dari beberapa kristal dengan tingkat penggerak yang sesuai (10 W dalam contoh ini). Perubahan halus dalam frekuensi resonansi dapat diamati.

Gambar 4. Gambar milik Raltron.

Namun, dengan kristal overdrive pada 500 W, kami akan memiliki respons suhu yang tidak menentu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Gambar milik Raltron.

Efek Penuaan

Sayangnya, kristal menua seperti kita! Penuaan mempengaruhi frekuensi resonansi kristal. Ada beberapa mekanisme penuaan yang berbeda. Misalnya, kristal mungkin mengalami tekanan mekanis saat dipasang pada PCB. Seiring waktu, tekanan dari struktur pemasangan dapat berkurang dan menyebabkan perubahan frekuensi resonansi.

Mekanisme penuaan lainnya adalah kontaminasi kristal. Seiring berjalannya waktu, potongan-potongan mikroskopis debu jatuh atau jatuh ke permukaan kuarsa yang menyebabkan perubahan massa kristal dan akibatnya frekuensi resonansinya. Faktor lain yang mempengaruhi penuaan kristal adalah tingkat penggeraknya. Menurunkan tingkat drive dapat mengurangi efek penuaan. Efek penuaan yang dialami kristal overdrive dalam satu bulan bisa sama besarnya dengan kristal berusia 1 tahun yang digerakkan pada tingkat daya terukur. Gambar 6 menunjukkan plot penuaan yang khas.

Gambar 6. Gambar milik Hui Zhou.

Perhatikan bahwa alur penuaan tidak selalu merupakan fungsi yang mulus dan dapat terjadi pembalikan arah penuaan bila terdapat dua atau lebih mekanisme penuaan yang berbeda. Selain itu, perhatikan bahwa efek penuaan berkurang seiring waktu. Sebagian besar penuaan terjadi selama tahun pertama. Misalnya, kristal berusia 5 tahun menunjukkan perubahan frekuensi yang disebabkan penuaan yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan kristal berusia 1 tahun.

Kesalahan Frekuensi Total

Toleransi total suatu kristal dapat diperoleh dengan menambahkan kesalahan yang disebabkan oleh tiga spesifikasi di atas, yaitu toleransi frekuensi, stabilitas frekuensi, dan penuaan. Toleransi maksimum total ini kadang-kadang disebut sebagai stabilitas total seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Komponen stabilitas total. Gambar milik Silicon Labs.

Misalnya, dengan toleransi frekuensi ±10 ppm, stabilitas frekuensi ±20 ppm pada rentang suhu -40 °C hingga +85 °C, dan penuaan ±3 ppm selama tahun pertama; kami mengharapkan kesalahan frekuensi total menjadi ±33 ppm di atas kondisi yang ditentukan.

Berdasarkan kesalahan frekuensi total, kita dapat menentukan apakah kristal yang diberikan dapat memenuhi persyaratan aplikasi atau tidak. Misalnya, deviasi frekuensi kristal menyebabkan deviasi serupa dalam frekuensi pembawa RF ASIC. Kita dapat menggunakan kesalahan frekuensi total untuk menentukan apakah kristal yang diberikan dapat memenuhi persyaratan akurasi jam dari suatu aplikasi. Sebagai contoh, dengan standar 802.15.4, deviasi maksimum pada frekuensi pembawa adalah 40 ppm. Namun, untuk Bluetooth Low Energy, ada persyaratan yang lebih ketat yaitu 20 ppm. Oleh karena itu, kristal dengan kesalahan frekuensi total ±30 ppm dapat digunakan dengan produk RF 802.15.4. Namun, kristal yang sama tidak dapat digunakan untuk aplikasi Bluetooth Low Energy. Pada artikel berikutnya, kita akan melanjutkan diskusi ini dan melihat parameter penting lainnya yang mempengaruhi stabilitas dan keandalan frekuensi keluaran kristal.

Untuk melihat daftar lengkap artikel saya, silakan kunjungi halaman ini.