Caractérisation des écarts de fréquence des cristaux de quartz :tolérance de fréquence, stabilité de fréquence et vieillissement

Découvrez certaines des caractéristiques les plus importantes des écarts de fréquence des cristaux de quartz.

Le fonctionnement fiable de pratiquement tous les systèmes électroniques repose sur une référence de synchronisation précise. Les cristaux de quartz ont un facteur de qualité élevé et offrent une solution de synchronisation fiable, stable et rentable. Étant un dispositif électromécanique, les cristaux de quartz ne sont pas aussi intuitifs que d'autres dispositifs passifs tels que les résistances, les condensateurs et les inductances. Ce sont des matériaux piézoélectriques convertissant une déformation mécanique en une tension proportionnelle à leurs bornes et vice versa.

Cet article aborde trois des métriques importantes utilisées pour caractériser les écarts de fréquence de résonance d'un cristal de quartz :tolérance de fréquence, stabilité de fréquence et vieillissement.

Tolérance de fréquence

La tolérance de fréquence spécifie l'écart de fréquence maximal par rapport à la fréquence nominale du cristal à 25 °C. A titre d'exemple, considérons un cristal 32768 Hz avec une tolérance de fréquence de ±20 ppm. La fréquence d'oscillation réelle de ce cristal à 25 °C peut être comprise entre 32768.65536 et 32.767.34464 Hz. Nous pouvons appeler cette variation de fréquence la tolérance de production car elle provient des variations normales des processus de fabrication et d'assemblage. Les cristaux sont généralement disponibles à des valeurs de tolérance fixes, certaines valeurs typiques étant ±20 ppm, ±50 ppm et ±100 ppm. Bien qu'il soit possible de demander un cristal avec une tolérance de fréquence spécifique, par exemple un cristal de ±5 ppm, les cristaux sur mesure sont plus chers.

Stabilité de la fréquence

Alors que la tolérance de fréquence caractérise la tolérance de production de l'appareil à 25 °C, la métrique de stabilité de fréquence spécifie la variation de fréquence maximale sur la plage de températures de fonctionnement. La figure 1 montre la variation de fréquence avec la température pour un cristal de taille AT typique.

Figure 1. Image reproduite avec l'aimable autorisation de NXP.

Dans cet exemple, l'appareil présente une variation de fréquence maximale d'environ ±12 ppm sur une plage de température de -40 °C à +85 °C. A noter que la fréquence d'oscillation à 25 °C est utilisée comme point de référence (l'écart est nul à cette température).

Vous vous demandez peut-être par quel mécanisme un changement de température provoque un changement dans la fréquence de résonance ? En fait, la taille du cristal change légèrement avec la température. Comme la fréquence de résonance dépend de la taille du cristal, les variations de température entraînent un changement de sa fréquence.

Lors de la conception d'un circuit électronique, nous ne pouvons pas nous fier à la spécification de tolérance de fréquence pour déterminer la précision de synchronisation, en particulier lorsque le système va être exposé à des conditions de température extrêmes. Par exemple, avec un appareil portable fréquemment laissé dans les fils chauds ou un système fonctionnant en Alaska, ignorer la stabilité de la fréquence du cristal peut empêcher le système d'atteindre le budget de synchronisation cible.

La réponse en température dépend du type de cristal taillé

La courbe fréquence/température d'un cristal dépend du type de coupe utilisé lors de la fabrication. Le type de coupe fait référence à l'angle auquel les barres de quartz sont coupées pour créer des plaquettes de cristal. Alors qu'un cristal de coupe AT présente une courbe de stabilité de température cubique (Figure 1), les cristaux de coupe BT ont une courbe parabolique (Figure 2).

Figure 2. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'Epson.

À partir des figures 1 et 2, nous observons que les cristaux de coupe AT ont des changements de fréquence relativement plus faibles sur leur plage de température de fonctionnement. La courbe de température des cristaux de coupe AT est également souhaitée d'un autre point de vue. Comme le montre la figure 2, la fréquence de résonance de la coupure BT est inférieure à sa valeur nominale de part et d'autre de la température ambiante. Ceci contraste avec la courbe AT-cut représentée (Figure 1) où la fréquence d'oscillation est supérieure à la valeur nominale en dessous de 25 °C et inférieure à la valeur nominale au-dessus de 25 °C. Si le cristal est utilisé dans une application de chronométrage, cette caractéristique de coupe AT peut conduire à une précision plus élevée car l'erreur produite par les variations de température peut atteindre zéro en moyenne. En raison de leurs caractéristiques de température supérieures, les cristaux de coupe AT sont parmi les types de cristaux les plus largement utilisés.

Il convient de mentionner qu'il existe de nombreux autres types de coupe tels que XY-cut, SC-cut et IT-cut. Chaque type de coupe peut offrir un ensemble différent de fonctionnalités. Les performances en température, la sensibilité aux contraintes mécaniques, la taille pour une fréquence nominale donnée, l'impédance, le vieillissement et le coût sont quelques-uns des paramètres qui sont affectés par le type de coupe.

Certaines valeurs courantes de stabilité de fréquence sont ±20 ppm, ±50 ppm et ±100 ppm sur une plage de températures spécifiée. Encore une fois, il est possible de commander des cristaux sur mesure avec une stabilité de fréquence supérieure, par exemple ±10 ppm sur -40 °C à +85 °C; cependant, de tels cristaux seront d'un coût prohibitif pour toutes les applications sauf les plus exigeantes. La figure 3 montre comment une exigence de stabilité stricte limite le choix de l'angle de coupe. Cela conduit à un processus de fabrication difficile et à un produit d'un coût prohibitif.

Figure 3. Image reproduite avec l'aimable autorisation de IQD Frequency Products.

Réponse en température des cristaux surchargés

Il y a une limite supérieure pour la puissance qui peut être dissipée en toute sécurité dans un cristal. Ceci est spécifié comme niveau d'entraînement dans la fiche technique de l'appareil et se situe dans la plage du microwatt au milliwatt. Dans les prochains articles de cette série, nous discuterons en détail de la métrique de niveau de lecteur.

Ici, je voudrais juste mentionner à quel point le dépassement du niveau d'entraînement maximal peut considérablement dégrader la stabilité de la fréquence du cristal. La figure 4 montre la courbe fréquence vs température de certains cristaux avec un niveau d'entraînement approprié (10 µW dans cet exemple). Un changement régulier de la fréquence de résonance est observable.

Figure 4. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Raltron.

Cependant, avec des cristaux surchargés à 500 W, nous aurons des réponses de température erratiques comme le montre la figure 5.

Figure 5. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Raltron.

Effet de vieillissement

Malheureusement, les cristaux vieillissent comme nous ! Le vieillissement affecte la fréquence de résonance du cristal. Il existe plusieurs mécanismes de vieillissement différents. Par exemple, le cristal peut subir des contraintes mécaniques lors de son montage sur le PCB. Au fil du temps, la contrainte de la structure de montage peut diminuer et entraîner une modification de la fréquence de résonance.

Un autre mécanisme de vieillissement est la contamination des cristaux. Au fil du temps, des morceaux de poussière microscopiques tombent ou tombent sur la surface du quartz, entraînant une modification de la masse cristalline et par conséquent de sa fréquence de résonance. Un autre facteur qui affecte le vieillissement du cristal est son niveau d'entraînement. L'abaissement du niveau d'entraînement peut réduire les effets du vieillissement. L'effet de vieillissement d'un cristal surchargé en un mois peut être aussi important que celui d'un cristal d'un an entraîné au niveau de puissance nominal. La figure 6 montre un graphique de vieillissement typique.

Figure 6. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Hui Zhou.

Notez que le tracé de vieillissement n'est pas toujours une fonction lisse et qu'il peut y avoir une inversion de la direction du vieillissement lorsque deux ou plusieurs mécanismes de vieillissement différents sont présents. En outre, notez que l'effet du vieillissement diminue avec le temps. La plupart du vieillissement se produit au cours de la première année. Par exemple, un cristal de 5 ans présente des changements de fréquence induits par le vieillissement beaucoup plus faibles qu'un cristal de 1 an.

Erreur de fréquence totale

La tolérance totale d'un cristal peut être obtenue en ajoutant les erreurs apportées par les trois spécifications ci-dessus, c'est-à-dire la tolérance de fréquence, la stabilité de fréquence et le vieillissement. Cette tolérance maximale totale est parfois appelée stabilité totale, comme le montre la figure 7.

Figure 7. Composants de stabilité totale. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Silicon Labs.

Par exemple, avec une tolérance de fréquence de ±10 ppm, une stabilité de fréquence de ±20 ppm sur une plage de température de -40 °C à +85 °C et un vieillissement de ±3 ppm sur la première année; nous nous attendons à ce que l'erreur de fréquence totale soit de ±33 ppm dans les conditions spécifiées.

Sur la base de l'erreur de fréquence totale, nous pouvons déterminer si un cristal donné peut ou non répondre aux exigences d'une application. Par exemple, la déviation de la fréquence du cristal conduit à une déviation similaire de la fréquence porteuse des ASIC RF. Nous pouvons utiliser l'erreur de fréquence totale pour déterminer si un cristal donné peut répondre aux exigences de précision d'horloge d'une application. A titre d'exemple, avec la norme 802.15.4, l'écart maximum de la fréquence porteuse est de 40 ppm. Cependant, pour Bluetooth Low Energy, il existe une exigence plus stricte de 20 ppm. Par conséquent, un cristal avec une erreur de fréquence totale de ±30 ppm peut être utilisé avec un produit RF 802.15.4. Cependant, le même cristal ne peut pas être utilisé pour les applications Bluetooth Low Energy. Dans le prochain article, nous continuerons cette discussion et examinerons les autres paramètres importants qui affectent la stabilité et la fiabilité de la fréquence de sortie du cristal.

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