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引言

晶體的主要組成部分是二氧化硅，俗稱石英。石英具有非凡的機(jī)械和壓電特性，使得從19世紀(jì)40年代中期以來(lái)一直作為基本的時(shí)鐘器件。如今，只要需要時(shí)鐘的地方，工程師首先想到的就是晶體，但是隨著應(yīng)用的不斷深入，晶體的一些固有的缺陷也隨之暴露出來(lái)。如今新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并帶來(lái)很大的變化。

晶體的特點(diǎn)及參數(shù)

封裝

晶體的封裝如圖1所示，有三部分組成：金屬上蓋，帶有電極的石英片和陶瓷底座。一般來(lái)說(shuō)，還需要向密封殼內(nèi)充氮?dú)狻?/span>

圖1 晶體封裝圖

現(xiàn)在幾乎所有的陶瓷密封裝都是由三家日本公司提供，但是由于日本地震和海嘯，產(chǎn)量嚴(yán)重受影響。今后很長(zhǎng)一段時(shí)間將難以滿足市場(chǎng)需求。

石英材料

石英以其固有的壓電特性成為晶體中的主要部分。但是它必須經(jīng)過(guò)切割打磨才能使用，由于其厚度非常薄，雖然采取了保護(hù)措施，但是其抗震性一直是大家所擔(dān)心的。

精度

所謂精度就是實(shí)際的時(shí)鐘頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率的程度。用公式表示為：

Error (PPM) = (Factual-Ftarget) / Ftarget * 10E6

Error：精度

Factual：實(shí)際頻率

Ftarget：標(biāo)準(zhǔn)頻率

PPM：百萬(wàn)分之一

在晶體的應(yīng)用中，有這幾個(gè)方面需要考慮：

1）  頻率公差：就是在通常的環(huán)境溫度下（25°C+/-5°C）實(shí)際頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率的值。

2）  頻率溫度特征：就是在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)，實(shí)際頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率的值。現(xiàn)在通常有三種溫度范圍：0°C--70°C，-20°C--70°C和-40°C--85°C。

3）  老化：晶體的內(nèi)部特性隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化引起的頻率的偏差，稱為晶體的老化。一般來(lái)說(shuō)，第一年晶體的精度受老化的影響為5PPM，以后每年大約為1-3PPM。如果一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生命周期為10年，則老化帶來(lái)的頻率精度變化最高可達(dá)32PPM。

4）負(fù)載電容精度變化引起頻率的變化：這個(gè)因素往往容易被忽視。在晶體的應(yīng)用中有兩種工作模式，串行振蕩模式和并行振蕩模式。由于并行模式設(shè)計(jì)靈活并且有很高的輸出精度，現(xiàn)在已成為市場(chǎng)主流。 圖2是并行振蕩模式的等效電路圖：

圖2 并行振蕩模式等效電路圖

R1：動(dòng)態(tài)阻抗

C1：動(dòng)態(tài)電容

L1：動(dòng)態(tài)電感

C0：靜態(tài)電容

CL：負(fù)載電容

并行振蕩模式的頻率可根據(jù)以下公式：

FL=[1/2π√（L1*C1））]*√[1+C1/（C0+CL）]

其中[1/2π√（L1*C1））]是晶體串行振蕩模式的頻率

根據(jù)泰勒展開(kāi)：

FL=[1/2π√（L1*C1）]*[1+C1/2（C0+CL）]                            （1）

從公式中可以看出，頻率與C0,C1和CL都有關(guān)。

在基頻諧振中C1為10-30fF，一般取值為20fF。C0取值與晶體的尺寸有關(guān)，一般取值為5pF。但是CL的計(jì)算與晶體外接電容和PCB設(shè)計(jì)和材料有關(guān)。下圖是參考電路圖

圖3 晶體外接負(fù)載電容示意圖

從上面電路中可得出：

1/（C11+CS1）+1/（C12+CS2）=1/（CL）                               （2）

其中C11，C12是外接電容，也就是線路設(shè)計(jì)中放在晶體兩邊接地的兩個(gè)電容。CS1和CS2是寄生電容，和PCB 電路板的走線，焊盤及芯片的管腳有關(guān)。一般為5-10pF（在本文的計(jì)算中可設(shè)為8pF）。對(duì)于C11和C12，沒(méi)有確定的值（15pF-30pF），這和實(shí)際設(shè)計(jì)有關(guān)，例如取18pF。

CL如有變化，并行振蕩模式的頻率也隨之變化，請(qǐng)看圖4

圖4 負(fù)載電容變化與頻率的關(guān)系

由公式（1）可得頻率變化為：

（FCL1-FCL2）/FCL1=C1/2 * [1/（C0+CL1）-1/（C0+CL2）] * 10E6     （3）

從公式（2）和公式（3）中可知C11和C12的精度將影響頻率的精度。具體數(shù)據(jù)如表1所示。其中參數(shù)的取值如前文：C1=20fF，C0=5pF，CS1=CS2=8pF，C11=C12=18pF。

表1 電容精度與頻率精度的關(guān)系

在很多應(yīng)用場(chǎng)合，電容精度取5%，從上表可看出它對(duì)頻率精度的影響可達(dá)到28PPM。這在設(shè)計(jì)中容易被忽略的。

5）  其他因素：如回流焊接的影響，濕度的影響，大氣壓的影響等。這些因素影響不大，不再這里詳述。

晶體振蕩總的頻率精度就是上述五個(gè)方面之和。

硅頻率控制器(SFC)

SFC原理

由于石英材料及其振蕩原理的局限性，近年來(lái)，人們不斷探索用新技術(shù)來(lái)替代它。如MEMS技術(shù)，但是它的中心振蕩頻率不是很高（如16MHz）所以如果需要高的頻率輸出，必須經(jīng)過(guò)一級(jí)PLL， 增加了成本，相位噪音和功耗。

IDT在這一領(lǐng)域做了深入的研究，采用專利的CMOS諧波振蕩器（CHO），推出了全硅頻率控制器。它的核心是一個(gè)高頻的振蕩模塊，根據(jù)設(shè)置不同的分頻系數(shù)可得到不同的輸出頻率。這樣，既不需要石英做為振蕩源，也不需要PLL做倍頻。

SFC工作狀態(tài)需要電源而晶體不需要。但是，由于ASIC必須提供晶體起振電路，所以晶體也相應(yīng)地增加了ASIC的能耗。

硅頻率控制器(SFC)的參數(shù)

精度
    硅頻率控制器的頻率公差在50PPM。-20-70°C頻率溫度特征是50PPM。硅頻率控制器不使用石英，所以沒(méi)有老化方面的問(wèn)題。精度只需考慮兩個(gè)方面即可。可參照以下表2中的例子。晶體精度的取值請(qǐng)參照前文的計(jì)算。

表2 兩類產(chǎn)品的比較