明明白白选择晶振.doc

明明白白选择晶振技术分类:模拟设计 PaulRako,EDN技术编辑硅与MEMS振荡器正在加入到高度分化振荡器市场中石英晶体与陶瓷谐振器行列。选择正确应用器件不需要水晶球,不过一些相关事实会有所帮助。提示*陶瓷谐振器精度为1%%,与之相比石英晶振为1ppm(百万分之一)至100ppm,。*与陶瓷器件相比,硅与MEMS(微机电系统)振荡器更能承受冲击,并且能装入更小封装。*石英振荡器要花较长起动时间,不过通常功耗低于其它种类。*任何一种振荡器功耗都依赖于输出负载。振荡器就像电子系统中电源一样无处不在,有人认为它们重要性等同于电源,在任何需要时序信号东西中都能发现它们应用,从数字手表到电视与PC。由于它们在电子设备时序中扮演重要角色,它们失效会导致整个系统停机。例如,调查人员通过剖析1972年加州Fremont火车撞车事故,发现起因是一块控制板上晶振故障。晶振储能电容取值不当,使晶体过驱,器件跳入一种泛音振荡频率。于是,火车进站时没有减速缓行而是加速,造成了多人受伤撞车事故。鉴于这种问题,很多工程师不再使用纯晶体作自己振荡器。他们转而选择市售成品,其封装中包含了放大器、储能电容与其它元件。一切数字设备都需要时钟源,如硅与MEMS(微机电系统)振荡器、石英晶体或陶瓷诣振器。例如,电信与服务器一块PCB(印制电路板)上就可能需要十几种时钟。设计者实现传统时钟源时采用是石英晶体振荡器,但MEMS与纯硅振荡器正在这个高度分化市场中获得立足点。另外,精度不高振荡器也采用陶瓷材料,如锆钛酸铅。应用推动着一种技术适用性。例如,如果你需要一个精度优于1ppb(十亿分之一)时钟源,则必须放弃MEMS而使用原子振荡器件,如铷时钟或铯时钟源。这些器件有1ppt(万亿分之一)精度。例如,GPS(全球定位系统)卫星需要这种精度来保持与系统其它部分同步(图1)。在精度谱另一端是简陋陶瓷谐振器。这些器件精度测量要用百分数,因为用十亿分之一作单位得到数值过于庞大而难以使用。%%范围内,老化或温度变化所致漂移可能改变这一区间。因此,廉价陶瓷谐振器公差只有±%,较高端汽车与商务产品精度则分别为±%与±%。这些公差较严格陶瓷谐振器目标是商用USB(通用串行总线)(控制器局域网络)总线应用,工作温度为?40°C至+125°C。频率为200kHz至约1GHz低成本陶瓷谐振器适用于对时序要求不严格嵌入系统。陶瓷器件起动较快,一般体积小于石英器件。它们也更能承受冲击与振动。提供陶瓷谐振器制造商有Murata、Oscilent、AVX、TDK与Panasonic等。对于使用UART(通用同步/异步收发器)数字系统,应对其作误差预算(error-budget)剖析,以确保从谐振器频率得到波特率符合规格要求。如果你只在代码开发期间使用UART,则能够在制造期间转而采用陶瓷谐振器,以节省成本。注意,有些硅振荡器要使用RC(电阻/电容)或LC(电感/电容)储能器件,而不用陶瓷或石英晶体。这些振荡器随不同价格而有广泛精度范围。意法半导体等公司制造这类振荡器具备陶瓷谐振器全部优点,而体积更小,价格更低。该公司产品营销工程师LouisGrantham称:“硅振荡器重点在于它比脆弱晶体更健壮。此外,晶体可制造性要比IC更困难。”从石英起步石英振荡器采用一种压电材料振荡晶体机械共振方式,建立一个有精密频率电信号。该频率一般用于跟踪时间,如石英手表中频率;为数字集成电路提供稳定时钟信号;以及稳定射频发射机与接收机频率。自上世纪20年代起,工程师们就开始将这些晶体用于建立射频频率,当时贝尔电话实验室AMNicholson与Wesleyan大学WGCady教授一起研究酒石酸钾晶体,他们发现了一个驱动电路中石英晶片谐振反应(参考文献1)。不过在二战以前,研究人员还没有研究出大批量制造方法(参考文献2)。如果在一块石英晶体上以相对晶格点阵正确角度切割出振荡器元件,则可以消除温度效应。有些切割晶体具有零温度系数,而LC切割则用于温度计(图2)。因为你是从一种矿物得到石英晶体,不要假定一个石英振荡器是低技术性器件(参考文献3)。今天石英晶体制造商都采用大型反应炉(或高压釜)作石英晶体生长,使用高温与30000psi(磅每平方英寸)以上高压(参考文献4与图3)。石英晶体在一个高压釜中生长要花数月时间,任何地震活动或加热器供电上最微小降级或损失都会毁掉整个批次。一家日本公司NDK已有几十年制造石英晶体历史,现在伊利诺伊州Belvidere拥有高压釜。基于上述原因,该公司决定在中西部开设新工厂,因为那里电网可靠性很高,并且地震发生率很低。该公司业务与应用发展总经理CraigTaylor称:“