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  | 2009-05-01
Paul Rako，EDN技术编辑
　　硅与MEMS振荡器正在加入到高度分化的振荡器市场中石英晶体与陶瓷谐振器的行列。选择正确的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
　　* 陶瓷谐振器的精度为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，并且能装入更小的封装。
　　* 石英振荡器要花较长的起动时间，不过通常功耗低于其它种类。
　　* 任何一种振荡器的功耗都依赖于输出负载。
　　振荡器就像电子系统中的电源一样无处不在，有人认为它们的重要性等同于电源，在任何需要时序信号的东西中都能发现它们的应用，从数字手表到电视和PC。由于它们在电子设备时序中扮演重要角色，它们的失效会导致整个系统的停机。例如，调查人员通过分析1972年加州Fremont火车撞车事故，发现起因是一块控制板上的晶振故障。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，造成了多人受伤的撞车事故。鉴于这种问题，很多工程师不再使用纯晶体作自己的振荡器。他们转而选择市售的成品，其封装中包含了放大器、储能电容和其它元件。
　　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，电信与服务器的一块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的是石英晶体振荡器，但MEMS和纯硅振荡器正在这个高度分化的市场中获得立足点。另外，精度不高的振荡器也采用陶瓷材料，如锆钛酸铅。应用推动着一种技术的适用性。例如，如果你需要一个精度优于1 ppb（十亿分之一）的时钟源，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）的精度。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的同步（图1）。
　　在精度谱的另一端是简陋的陶瓷谐振器。这些器件的精度测量要用百分数，因为用十亿分之一作单位得到的数值过于庞大而难以使用。%%范围内，老化或温度变化所致的漂移可能改变这一区间。因此，廉价陶瓷谐振器的公差只有±%，较高端的汽车与商务产品精度则分别为±%和±%。这些公差较严格陶瓷谐振器的目标是商用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200 kHz至约1 GHz的低成本陶瓷谐振器适用于对时序要求不严格的嵌入系统。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。提供陶瓷谐振器的制造商有Murata、Oscilent、AVX、TDK和Panasonic等。
　　对于使用UART（通用同步/异步收发器）的数字系统，应对其作误差预算（error-budget）分析，以确保从谐振器频率得到的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L