几乎每个电子系统的可靠运行都依赖于精确的定时参考。石英晶体凭借其高品质因数，提供了稳定、可靠且经济高效的计时解决方案。作为一种机电器件，石英晶体不同于电阻器、电容器和电感器等其他无源器件，它是压电材料，能够将机械变形转换为其端子上的电压，反之亦然。

本文深入探讨了三个重要指标，这些指标用于表征石英晶体的谐振频率偏差：频率容差、频率稳定性和老化。

频率容差

频率容差是指在 25°C 时，晶体频率与标称频率的偏差。例如，考虑一款频率容差为 ±20 ppm 的 32768 Hz 石英晶体，该晶体在 25°C 时的实际频率可能在 32768.65536 Hz 至 32767.34464 Hz 之间。我们将这种频率变化称为生产公差，因为它是由于制造和组装过程中的正常波动引起的。晶体通常具有固定的容差值，典型值有 ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。虽然可以订购具有特定频率容差的定制晶体（例如 ±5 ppm），但这类定制晶体通常会更贵。

频率稳定性

频率稳定性描述的是在工作温度范围内，晶体频率的变化。图 1 展示了典型 AT 切割晶体在温度变化下的频率变化。

在这个示例中，晶体在 -40°C 至 +85°C 的温度范围内显示出约 ±12 ppm 的频率变化。注意，25°C 时的频率偏差为零，作为参考点。温度变化如何引起谐振频率的变化呢？实际上，随着温度变化，晶体的尺寸会发生细微变化。由于谐振频率依赖于晶体的尺寸，温度变化会导致频率发生变化。

在电子电路设计中，单纯依赖频率容差来确定定时精度是不够的，尤其当系统暴露于极端温度条件下时。例如，在高温环境下运行的便携式设备，或在寒冷地区的系统，如果忽略晶体的频率稳定性，可能导致系统无法满足时间预算要求。

温度响应与切割类型

晶体的频率与温度曲线取决于其切割类型。切割类型指的是在制造过程中，石英晶体棒被切割成晶片时所选择的角度。AT 切割晶体的温度稳定性曲线通常呈现立方形，而 BT 切割晶体则呈现抛物线形态。

从图 1 和图 2 中可以看出，AT 切割晶体在工作温度范围内的频率变化较小，温度变化的误差趋于平均为零。AT 切割晶体具有较好的温度特性，适合精确的计时应用，而 BT 切割晶体则在温度变化时频率变化较大。由于其卓越的温度稳定性，AT 切割晶体被广泛应用于计时需求较高的领域。

除了 AT 和 BT 切割外，还有许多其他切割类型，如 XY 切割、SC 切割和 IT 切割等。每种切割类型会影响晶体的温度性能、对机械应力的敏感性、标称频率的尺寸、阻抗、老化特性以及成本等参数。

驱动电平与温度响应

晶体在工作时能够承受的最大功率有一个上限，这个上限通常在数据表中标明，称为驱动电平，范围从微瓦到毫瓦。图 4 显示了晶体在适当驱动电平下（10 μW）频率与温度的关系，频率变化平滑。

然而，若超过该驱动电平，频率稳定性会显著下降，如图 5 所示，500 μW 的过驱动情况下，频率响应不稳定，温度变化的影响也更为显著。

老化效应

石英晶体会随着时间发生老化，影响其谐振频率。老化的原因有很多，例如安装时可能会产生机械应力，这些应力随着时间的推移可能会减少，导致谐振频率的变化。另一种老化机制是污染，灰尘或其他微小颗粒可能附着在晶体表面，改变其质量，进而影响频率。

此外，晶体的驱动电平也会影响其老化程度。较高的驱动电平会加速老化过程，而较低的驱动电平则能延缓这一过程。图 6 显示了典型的老化曲线。

需要注意的是，老化效应并非总是平滑的函数，某些老化机制可能导致频率的变化方向发生逆转。此外，老化效应随着时间的推移会逐渐减弱。大部分的老化效应通常发生在前一年，而在五年后，晶体的老化效应会明显减轻。

总频率误差

晶体的总频率误差是由频率容差、频率稳定性和老化三个指标的误差累加而成，通常称为总稳定性。如图 7 所示，考虑一款频率容差为 ±10 ppm，工作温度范围为 -40°C 至 +85°C 的晶体，频率稳定性为 ±20 ppm，年老化为 ±3 ppm。我们可以预期在这些条件下的总频率误差为 ±33 ppm。


通过了解总频率误差，我们可以确定某个晶体是否适合某些应用。例如，RF ASIC 的载波频率可能会受到频率偏差的影响，了解总频率误差可以帮助我们判断晶体是否能满足特定的时钟精度要求。例如，802.15.4 标准要求载波频率的偏差为 40 ppm，而蓝牙低功耗（BLE）则要求更严格的 20 ppm。因此，总频率误差为 ±30 ppm 的晶体适合与 802.15.4 RF 产品一起使用，但无法满足 BLE 的精度要求。