淺談晶振選擇的那些事

　　硅與MEMS振蕩器正在加入到高度分化的振蕩器市場(chǎng)中石英晶體與陶瓷諧振器的行列。選擇正確的應用器件不需要水晶球，不過(guò)一些相關(guān)事實(shí)會(huì )有所幫助。

　　提示

　　·陶瓷諧振器的精度為1%至0.1%，與之相比石英晶振為1ppm（百萬(wàn)分之一）至100ppm，硅器件為1.5ppm至100ppm。

　　·與陶瓷器件相比，硅與MEMS（微機電系統）振蕩器更能承受沖擊，并且能裝入更小的封裝。

　　·石英振蕩器要花較長(cháng)的起動(dòng)時(shí)間，不過(guò)通常功耗低于其它種類(lèi)。

　　·任何一種振蕩器的功耗都依賴(lài)于輸出負載。

　　振蕩器就像電子系統中的電源一樣無(wú)處不在，有人認為它們的重要性等同于電源，在任何需要時(shí)序信號的東西中都能發(fā)現它們的應用，從數字手表到電視和PC。由于它們在電子設備時(shí)序中扮演重要角色，它們的失效會(huì )導致整個(gè)系統的停機。例如，調查人員通過(guò)分析1972年加州Fremont火車(chē)撞車(chē)事故，發(fā)現起因是一塊控制板上的晶振故障。晶振儲能電容取值不當，使晶體過(guò)驅?zhuān)骷胍环N泛音振蕩頻率。于是，火車(chē)進(jìn)站時(shí)沒(méi)有減速緩行而是加速，造成了多人受傷的撞車(chē)事故。鑒于這種問(wèn)題，很多工程師不再使用純晶體作自己的振蕩器。他們轉而選擇市售的成品，其封裝中包含了放大器、儲能電容和其它元件。

　　一切數字設備都需要時(shí)鐘源，如硅與MEMS（微機電系統）振蕩器、石英晶體或陶瓷詣?wù)衿?。例如，電信與服務(wù)器的一塊PCB（印制電路板）上就可能需要十幾種時(shí)鐘。設計者實(shí)現傳統時(shí)鐘源時(shí)采用的是石英晶體振蕩器，但MEMS和純硅振蕩器正在這個(gè)高度分化的市場(chǎng)中獲得立足點(diǎn)。另外，精度不高的振蕩器也采用陶瓷材料，如鋯鈦酸鉛。應用推動(dòng)著(zhù)一種技術(shù)的適用性。例如，如果你需要一個(gè)精度優(yōu)于1ppb（十億分之一）的時(shí)鐘源，則必須放棄MEMS而使用原子振蕩器件，如銣時(shí)鐘或銫時(shí)鐘源。這些器件有1ppt（萬(wàn)億分之一）的精度。例如，GPS（全球定位系統）衛星需要這種精度來(lái)保持與系統其它部分的同步（圖1）。

　　在精度譜的另一端是簡(jiǎn)陋的陶瓷諧振器。這些器件的精度測量要用百分數，因為用十億分之一作單位得到的數值過(guò)于龐大而難以使用。一只陶瓷諧振器的典型初始精度在0.5%至0.1%范圍內，老化或溫度變化所致的漂移可能改變這一區間。因此，廉價(jià)陶瓷諧振器的公差只有±1.1%，較高端的汽車(chē)與商務(wù)產(chǎn)品精度則分別為±0.25%和±0.3%。這些公差較嚴格陶瓷諧振器的目標是商用USB（通用串行總線(xiàn)）2.0電路及汽車(chē)CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò )）總線(xiàn)應用，工作溫度為？40°C至+125°C。頻率為200kHz至約1GHz的低成本陶瓷諧振器適用于對時(shí)序要求不嚴格的嵌入系統。陶瓷器件起動(dòng)較快，一般體積小于石英器件。它們也更能承受沖擊與振動(dòng)。提供陶瓷諧振器的制造商有Murata、Oscilent、AVX、TDK和Panasonic等。

　　對于使用UART（通用同步/異步收發(fā)器）的數字系統，應對其作誤差預算（error-budget）分析，以確保從諧振器頻率得到的波特率符合規格要求。如果你只在代碼開(kāi)發(fā)期間使用UART，則能夠在制造期間轉而采用陶瓷諧振器，以節省成本。

　　注意，有些硅振蕩器要使用RC（電阻/電容）或LC（電感/電容）儲能器件，而不用陶瓷或石英晶體。這些振蕩器隨不同的價(jià)格而有廣泛的精度范圍。意法半導體等公司制造的這類(lèi)振蕩器具備陶瓷諧振器的全部?jì)?yōu)點(diǎn)，而體積更小，價(jià)格更低。該公司產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師LouisGrantham稱(chēng)：“硅振蕩器的重點(diǎn)在于它比脆弱晶體更健壯。此外，晶體的可制造性要比IC更困難。”

　　從石英起步

　　石英振蕩器采用一種壓電材料振蕩晶體的機械共振方式，建立一個(gè)有精密頻率的電信號。該頻率一般用于跟蹤時(shí)間，如石英手表中的頻率；為數字集成電路提供穩定的時(shí)鐘信號；以及穩定射頻發(fā)射機與接收機的頻率。自上世紀20年代起，工程師們就開(kāi)始將這些晶體用于建立射頻頻率，當時(shí)貝爾電話(huà)實(shí)驗室的 AMNicholson和Wesleyan大學(xué)的WGCady教授一起研究酒石酸鉀晶體，他們發(fā)現了一個(gè)驅動(dòng)電路中石英晶片的諧振反應。不過(guò)在二戰以前，研究人員還沒(méi)有研究出大批量制造的方法。如果在一塊石英晶體上以相對晶格點(diǎn)陣正確的角度切割出振蕩器元件，則可以消除溫度的效應。有些切割晶體具有零溫度系數，而LC切割則用于溫度計（圖2）。

　　因為你是從一種礦物得到石英晶體，不要假定一個(gè)石英振蕩器是低技術(shù)性器件。今天石英晶體的制造商都采用大型反應爐（或高壓釜）作石英晶體的生長(cháng)，使用高溫和30000psi（磅每平方英寸）以上的高壓（圖3）。石英晶體在一個(gè)高壓釜中的生長(cháng)要花數月時(shí)間，任何地震活動(dòng)或加熱器供電上最微小的降級或損失都會(huì )毀掉整個(gè)批次。一家日本公司NDK已有幾十年制造石英晶體的歷史，現在伊利諾伊州的Belvidere擁有高壓釜?；谏鲜鲈?，該公司決定在中西部開(kāi)設新工廠(chǎng)，因為那里電網(wǎng)的可靠性很高，并且地震發(fā)生率很低。

　　該公司業(yè)務(wù)與應用發(fā)展總經(jīng)理CraigTaylor稱(chēng)：“我們將石英礦置入一個(gè)大型容器內，該容器采用了軍艦主炮的技術(shù)。然后，我們將種子石英放在石英礦上方的筐內。加入（碳酸鈉或氫氧化鈉）電極并施以高溫高壓，所有的天然石英就都分解并向上遷移。它自己會(huì )附著(zhù)于種子石英上，而各種臟物與雜質(zhì)則留在容器的底部。”

　　加入放大與緩沖就使一只晶體成為一個(gè)XO（晶體振蕩器）。增加溫度補償電路就得到一個(gè)精度為1ppm（百萬(wàn)分之一）的TCXO（溫控晶體振蕩器），將整個(gè)振蕩器置入一個(gè)控溫的封裝中，就得到一個(gè)OCXO（恒溫晶體振蕩器），精度可達十億分之一區間。一個(gè)有1ppm精度的30MHz振蕩器，隨時(shí)間與溫度變化的誤差只有30Hz。只有銣和銫原子鐘才更精準，主要原因是原子振蕩源與溫度無(wú)關(guān)。有些公司還提供PXCO（可編程晶體振蕩器），你可以寫(xiě)入芯片中的數字寄存器，調整頻率。

　　Pericom公司產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理NancyZhang表示，給一個(gè)晶體增加PLL（鎖相環(huán)），就能以低于石英晶體的成本得到更高的頻率。該公司高級營(yíng)銷(xiāo)總監KayAnnamalai認為一個(gè)三次泛音晶體只能產(chǎn)生150MHz頻率。當需求超出該頻率時(shí)，設計者一般會(huì )加PLL。他描述了Pericom的一種不用PLL實(shí)現倍頻的專(zhuān)利技術(shù)。這種方法同樣可降低晶體成本，而且也改進(jìn)了抖動(dòng)特性。該公司的XP技術(shù)避免使用PLL，而頻率可超過(guò)150 MHz。

　　Epson ElectronicsAmerica公司總監CS Lam認為PLL也可以提高性能。Lam指出，該公司使用分數PLL電路實(shí)現了優(yōu)于10ppm的精度。他還指出，第一款在12kHz至20 MHz區間內相位抖動(dòng)低于1ps-rms的PLL晶體振蕩器出現于2004年。

　　增加PLL亦可以通過(guò)電控修改工作頻率，有助于符合FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì )）和CE（歐共體市場(chǎng)標準）的輻射標準。當PLL改變時(shí)鐘頻率時(shí)，EMR（電磁輻射）或EMI（電磁干擾）的高振幅尖峰將輻射分散到一個(gè)頻段中。注意該技術(shù)并沒(méi)有降低輻射量；而只是將其掃過(guò)一個(gè)頻段，使能量測量?jì)x器獲得一個(gè)較低的讀數。EMI留出了頻譜分析儀的測量帶寬，減少了測量讀數，能幫助你的產(chǎn)品通過(guò)符合性測試。

　　擴頻時(shí)鐘亦在振蕩器選擇中扮演著(zhù)一種角色。它有兩種廣泛的應用：計算機與通信中的電源和系統時(shí)鐘。電源可以使用最多變動(dòng)10%的振蕩器，將能量散布在一個(gè)寬頻帶上，大大降低測量值。這些設備采用了環(huán)形振蕩器或LC儲能，不需要石英級的精度。振蕩電路的PLL部分用硅振蕩器的輸出來(lái)建立擴頻時(shí)鐘。與其它純硅振蕩器一樣，這些器件更能承受沖擊，并有更快的上電起動(dòng)時(shí)間。由于LC儲能器或環(huán)形振蕩器有低得多的Q（質(zhì)量）值，優(yōu)于任何石英晶體或MEMS振蕩器，也許你會(huì )認為硅振蕩器的振蕩維持要花更多的能量。然而，它只需要毫瓦級能量，因為振蕩器中的功耗取決于PLL以及溫度補償電路的工藝與架構。

　　擴頻時(shí)鐘的另一個(gè)應用是抖動(dòng)或噪聲所占百分比較少的數字系統。它們必須保持嚴格的時(shí)序，但甚至少量的擴頻時(shí)鐘就可以使一塊系統板通過(guò)FCC測試。Pericom公司的Annamalai指出，擴頻時(shí)鐘尤其適用于存儲子系統。他說(shuō)：“存儲器有越來(lái)越快的趨勢，因此你會(huì )希望分散這種單一頻譜。”該公司使用的是 Hershey’s Kiss擴展數據曲線(xiàn)，這一名稱(chēng)取自流行的巧克力。

　　Lexmark公司發(fā)現并申請了這種數據曲線(xiàn)的專(zhuān)利。要理解這種響應曲線(xiàn)，設想一個(gè)正弦頻率正在對系統時(shí)鐘的工作頻率作調制；振蕩器花費在兩端頻率的平均時(shí)間將大于兩端之間的時(shí)間。換句話(huà)說(shuō)，時(shí)鐘會(huì )在頻率區間的外邊界處停留，正弦調制在此處緩慢改變方向。這種改變產(chǎn)生了“蝙蝠耳”式頻域數據曲線(xiàn)（圖4）。使用了Hershey’s Kiss波形后，制造商可以消除蝙蝠耳，使你的系統通過(guò)FCC測試。

　　Pericom采用高Q源低抖動(dòng)的石英作為系統時(shí)鐘。通過(guò)這種晶體與高性能低抖動(dòng)PLL的結合，該公司提供一種掃頻振蕩器，它消耗能量最低，并結合了石英與硅的優(yōu)點(diǎn)。

　　選擇振蕩器時(shí)的另一個(gè)考慮因素是功耗。

　　新興公司MobiusMicrosystems提供一種純硅振蕩器，它提供接近石英的精度、快速起動(dòng)，以及高的耐受沖擊能力。不過(guò)，該公司的實(shí)現方式是使硅儲能電容運行在高頻下，然后作分頻，于是功耗高于石英器件。不過(guò)，硅工藝與硅設計技術(shù)正在快速進(jìn)步，因此硅振蕩器的各種規格幾乎都應很快得到改善。

　　SiliconLaboratories是另一家在硅技術(shù)上領(lǐng)先的公司，它同時(shí)制造純硅振蕩器，以及為石英晶體配合PLL的器件。這些器件的精度適合于低端晶振。該公司時(shí)序產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監MikePetrowski稱(chēng)：“無(wú)需使用機械式振蕩器是最終夢(mèng)想。如果消除了機械式振蕩器，就可以提高可靠性、簡(jiǎn)化制造流程，并易于大批量生產(chǎn)。”Petrowski堅持認為硅振蕩器不會(huì )消耗過(guò)多能量，因為他們采用溫度補償方法去獲得精度，而不是對較高頻率作分頻的 PLL。

　　注意硅振蕩器可以有很多意義，例如它是一個(gè)可替代陶瓷諧振器的廉價(jià)器件，以及品質(zhì)可與石英相媲美的器件。一定要對功耗作評估，以確保使用的技術(shù)適合于自己的應用。要注意一些細微之處，如石英晶體或MEMS振蕩器會(huì )在上電起動(dòng)的數毫秒內拉入更多電流。對于微功耗應用或需要不斷起動(dòng)和停機的應用，這種超額電流可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。

　　除了精度和功耗以外，振蕩器的另一個(gè)重要規格就是抖動(dòng)，或相位噪聲，它會(huì )隨頻率而逐周期地改變。例如，一款穩定器件可能在一個(gè)周期工作在1MHz，而在下個(gè)周期工作在2MHz，平均頻率為1.5MHz。然而，這種循環(huán)頻率的巨大變化可能在多數應用中使器件無(wú)法使用；一個(gè)開(kāi)關(guān)電源可能不會(huì )工作在這么寬的范圍內，而一個(gè)PLL很難鎖定這種高抖動(dòng)的頻率源。任何采用這種振蕩器的系統都不可能包括ADC或DAC，因為頻率的變化會(huì )毀掉數字處理，即使平均頻率是穩定的。因此，很多公司的振蕩器設計小組都在公司的模擬部門(mén)。PLL是一種模擬元件，很多規格（如抖動(dòng)）對模擬電路都很重要。

　　盡管抖動(dòng)與相位噪聲分別是時(shí)域和頻域表述，據Linear Technology公司信號調整產(chǎn)品設計部主任DougLaPorte的說(shuō)法，在相同條件下，很容易將抖動(dòng)規格作出錯誤表述。他說(shuō)，有些公司僅在某個(gè)頻率范圍上確定抖動(dòng)的規格。這些公司提供的相位噪聲圖可能只包括特定數量的相位噪聲，而忽略了噪聲的其它位。SONET（同步光纖網(wǎng)絡(luò )）這類(lèi)光通信標準會(huì )傳輸，作PLL，然后再傳輸。循環(huán)有一個(gè)設計帶寬，使系統拒絕循環(huán)外的相位噪聲，而允許循環(huán)內的噪聲。LaPorte指出：“［這些制造商］ 給出的規格為20kHz到10MHz。超出這個(gè)他們就不關(guān)心了。”

　　在五年以前，任何振蕩器中PLL的存在都對設計的抖動(dòng)性能有負面作用。SiliconLabs的Petrowski稱(chēng)，該公司過(guò)去擔心老式PLL的不良名聲。他說(shuō)：“當我們推出自己基于PLL的振蕩器時(shí)，我們都擔心會(huì )有一些負面意義。我們對這些器件作了大量研發(fā)工作，并申請了大量專(zhuān)利，做一個(gè)低抖動(dòng) PLL是絕對有可能的，尤其是在更精細的IC尺度下。”

　　一款PLL的特性及其模擬濾波、相位檢測和VCO（壓控振蕩器），在電路的各個(gè)點(diǎn)都引起更多抖動(dòng)。過(guò)去五年來(lái)，設計者開(kāi)始采用打線(xiàn)作為IC上的小型導體，替代IC片芯上分散的空間導體?，F在，IC設計者可以用電感和電容作為電抗元件，濾波器與儲能電路都可以有更高Q值，有更多的極性和零點(diǎn)。

　　例如，MaximIntegrated Products公司在自己的設計中采用基于LC的振蕩器，而不是環(huán)形振蕩器。該公司精密振蕩器業(yè)務(wù)經(jīng)理Paul Nunn表示：“環(huán)形振蕩器要比LC型振蕩器有更多的抖動(dòng)。”很多公司采用這些高質(zhì)量的PLL，因為他們可以使振蕩器有可調頻率和低抖動(dòng)。這些公司包括 Pericom、Silicon Labs、SiTime、安塞美半導體公司與Fox Electronics。

　　MEMS器件

　　MEMS振蕩器也用于石英振蕩器的放大器，也許還有PLL，但它采用的是振蕩的小型硅質(zhì)量，而不是石英晶體。這種方案有更好的MTBF（平均故障時(shí)間）、抗沖擊性以及可靠性。

　　例如，SiTime營(yíng)銷(xiāo)副總裁Piyush Sevalia說(shuō)，對硅作JEDEC（聯(lián)合電子器件工程委員會(huì )）與HTOL（高溫工作壽命）測試，可得到5億小時(shí)MTBF，而石英只有1000萬(wàn)至 3000萬(wàn)小時(shí)，并且，盡管1kHz振動(dòng)在石英振蕩器的抖動(dòng)特性中很容易表現出來(lái)，但MEMS和硅振蕩器都對這種振動(dòng)不敏感。MEMS器件諧振在一個(gè)基頻上，這種模式下意外振動(dòng)不會(huì )調制。但是，MEMS和石英振蕩器的起動(dòng)速度慢于純硅振蕩器。

　　制造MEMS振蕩器的一個(gè)挑戰是保持振蕩硅元件的原子級潔凈。即使振蕩臂上有一個(gè)原子厚的層，也會(huì )造成器件規格失效，制造商用各種方法來(lái)克服這一挑戰。例如，Discera使用 “getter”活性吸氣材料，去除在器件生命周期中吸收的任何氣體或材料痕跡。另一方面，SiTime則采用了Bosch公司率先開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)。

　　SiTime并未在MEMS元件上覆蓋玻璃或環(huán)氧罩，而是在一個(gè)玻璃模型中建立起硅臂，用多晶硅覆蓋模型，再用氫氟酸將玻璃溶解。然后，該公司用一層更厚的多晶硅將臂密封起來(lái)。所有工作都在一個(gè)外延反應堆中完成，這個(gè)高度真空的半導體裝置有地球上最潔凈的環(huán)境。這種特殊工藝使SiTime能夠提供品質(zhì)與石英振蕩器相匹敵的產(chǎn)品。該公司的產(chǎn)品將一種MEMS諧振器片芯和一個(gè)CMOS片芯整合在一個(gè)封裝內，比石英振蕩器更小也更?。▓D5）。

　　Discera 和SiTime兩家公司的振蕩器都是全可編程產(chǎn)品，因為它們集成了PLL。Discera還提供一種不到500美元的工具包，包括一個(gè)手持編程器和200 個(gè)器件；編程器連接到計算機的USB端口。Discera公司銷(xiāo)售與營(yíng)銷(xiāo)副總裁GerryBeemiller稱(chēng)，用這個(gè)工具包可以建立起1MHz至 150MHz頻率的高精度振蕩器。反之，SiTime則在推銷(xiāo)快速周轉概念，而不是現場(chǎng)編程能力。由于它采用的是無(wú)石英工藝，因此聲稱(chēng)它可以在數天內提供工作于任意頻率的器件。

　　在數據采集數字系統中，精確無(wú)誤的時(shí)間永遠是關(guān)鍵。如果性能略微不良的陶瓷諧振器時(shí)基或低性能的硅振蕩器不能滿(mǎn)足你的需求，那么可以從整個(gè)石英技術(shù)系列產(chǎn)品中選擇一款器件。為Silicon Labs公司的高性能硅振蕩器和SiTime與Discera的MEMS振蕩器增加了這些選擇后，你會(huì )看到振蕩器的選擇非常關(guān)鍵。要了解所有的權衡因素，包括精度、功耗、抖動(dòng)和可編程能力，以及任何擴頻需求。要記住，如果你未能通過(guò)FCC測試，為電源或系統時(shí)鐘選擇一種擴頻振蕩器總是可取的方法。這種情況總是出現在最糟不過(guò)的時(shí)候：正當你準備好交付產(chǎn)品時(shí)，擁有一款可替代固定振蕩器的高級品總是一個(gè)很好的保險措施。經(jīng)過(guò)對所有這些因素的權衡，并明白它們如何與應用需求相匹配，選擇振蕩器就應成為一種明明白白的工作。