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中石英晶體與陶瓷諧振器的行列。選擇正確的應(yīng)用器件不需要水晶球，不過一些相關(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(jī)電系統(tǒng)）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的起動(dòng)時(shí)間，不過通常功耗低于其它種類。

　　·任何一種振蕩器的功耗都依賴于輸出負(fù)載。

　　振蕩器就像電子系統(tǒng)中的電源一樣無處不在，有人認(rèn)為它們的重要性等同于電源，在任何需要時(shí)序信號(hào)的東西中都能發(fā)現(xiàn)它們的應(yīng)用，從數(shù)字手表到電視和PC。由于它們?cè)陔娮釉O(shè)備時(shí)序中扮演重要角色，它們的失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的停機(jī)。例如，調(diào)查人員通過分析1972年加州Fremont火車撞車事故，發(fā)現(xiàn)起因是一塊控制板上的晶振故障。晶振儲(chǔ)能電容取值不當(dāng)，使晶體過驅(qū)，器件跳入一種泛音振蕩頻率。于是，火車進(jìn)站時(shí)沒有減速緩行而是加速，造成了多人受傷的撞車事故。鑒于這種問題，很多工程師不再使用純晶體作自己的振蕩器。他們轉(zhuǎn)而選擇市售的成品，其封裝中包含了放大器、儲(chǔ)能電容和其它元件。

　　一切數(shù)字設(shè)備都需要時(shí)鐘源，如硅與MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）振蕩器、石英晶體或陶瓷詣?wù)衿鳌＠?，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(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)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(yīng)用推動(dòng)著一種技術(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（萬億分之一）的精度。例如，GPS（全球定位系統(tǒng)）衛(wèi)星需要這種精度來保持與系統(tǒng)其它部分的同步（圖1）。

　　在精度譜的另一端是簡陋的陶瓷諧振器。這些器件的精度測(cè)量要用百分?jǐn)?shù)，因?yàn)橛檬畠|分之一作單位得到的數(shù)值過于龐大而難以使用。一只陶瓷諧振器的典型初始精度在0.5%至0.1%范圍內(nèi)，老化或溫度變化所致的漂移可能改變這一區(qū)間。因此，廉價(jià)陶瓷諧振器的公差只有±1.1%，較高端的汽車與商務(wù)產(chǎn)品精度則分別為±0.25%和±0.3%。這些公差較嚴(yán)格陶瓷諧振器的目標(biāo)是商用USB（通用串行總線）2.0電路及汽車CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線應(yīng)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(duì)時(shí)序要求不嚴(yán)格的嵌入系統(tǒng)。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(duì)于使用UART（通用同步/異步收發(fā)器）的數(shù)字系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)其作誤差預(yù)算（error-budget）分析，以確保從諧振器頻率得到的波特率符合規(guī)格要求。如果你只在代碼開發(fā)期間使用UART，則能夠在制造期間轉(zhuǎn)而采用陶瓷諧振器，以節(jié)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(chǔ)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(dǎo)體等公司制造的這類振蕩器具備陶瓷諧振器的全部優(yōu)點(diǎn)，而體積更小，價(jià)格更低。該公司產(chǎn)品營銷工程師LouisGrantham稱：“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(jī)械共振方式，建立一個(gè)有精密頻率的電信號(hào)。該頻率一般用于跟蹤時(shí)間，如石英手表中的頻率；為數(shù)字集成電路提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)；以及穩(wěn)定射頻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的頻率。自上世紀(jì)20年代起，工程師們就開始將這些晶體用于建立射頻頻率，當(dāng)時(shí)貝爾電話實(shí)驗(yàn)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(xiàn)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路中石英晶片的諧振反應(yīng)。不過在二戰(zhàn)以前，研究人員還沒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(duì)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(yīng)。有些切割晶體具有零溫度系數(shù)，而LC切割則用于溫度計(jì)（圖2）。

　　因?yàn)槟闶菑囊环N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(yīng)爐（或高壓釜）作石英晶體的生長，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)高壓釜中的生長要花數(shù)月時(shí)間，任何地震活動(dòng)或加熱器供電上最微小的降級(jí)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(xiàn)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設(shè)新工廠，因?yàn)槟抢镫娋W(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(yīng)用發(fā)展總經(jīng)理CraigTaylor稱：“我們將石英礦置入一個(gè)大型容器內(nèi)，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(nèi)。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(bǔ)償電路就得到一個(gè)精度為1ppm（百萬分之一）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(dá)十億分之一區(qū)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(zhǔn)，主要原因是原子振蕩源與溫度無關(guān)。有些公司還提供PXCO（可編程晶體振蕩器），你可以寫入芯片中的數(shù)字寄存器，調(diào)整頻率。

　　Pericom公司產(chǎn)品營銷經(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(jí)營銷總監(jiān)KayAnnamalai認(rèn)為一個(gè)三次泛音晶體只能產(chǎn)生150MHz頻率。當(dāng)需求超出該頻率時(shí)，設(shè)計(jì)者一般會(huì)加PLL。他描述了Pericom的一種不用PLL實(shí)現(xiàn)倍頻的專利技術(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150 MHz。

　　Epson ElectronicsAmerica公司總監(jiān)CS Lam認(rèn)為PLL也可以提高性能。Lam指出，該公司使用分?jǐn)?shù)PLL電路實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于10ppm的精度。他還指出，第一款在12kHz至20 MHz區(qū)間內(nèi)相位抖動(dòng)低于1ps-rms的PLL晶體振蕩器出現(xiàn)于2004年。

　　增加PLL亦可以通過電控修改工作頻率，有助于符合FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）和CE（歐共體市場標(biāo)準(zhǔn)）的輻射標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)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)并沒有降低輻射量；而只是將其掃過一個(gè)頻段，使能量測(cè)量儀器獲得一個(gè)較低的讀數(shù)。EMI留出了頻譜分析儀的測(cè)量帶寬，減少了測(cè)量讀數(shù)，能幫助你的產(chǎn)品通過符合性測(cè)試。

　　擴(kuò)頻時(shí)鐘亦在振蕩器選擇中扮演著一種角色。它有兩種廣泛的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)與通信中的電源和系統(tǒng)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(cè)量值。這些設(shè)備采用了環(huán)形振蕩器或LC儲(chǔ)能，不需要石英級(jí)的精度。振蕩電路的PLL部分用硅振蕩器的輸出來建立擴(kuò)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(chǔ)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(rèn)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(jí)能量，因?yàn)檎袷幤髦械墓娜Q于PLL以及溫度補(bǔ)償電路的工藝與架構(gòu)。

　　擴(kuò)頻時(shí)鐘的另一個(gè)應(yīng)用是抖動(dòng)或噪聲所占百分比較少的數(shù)字系統(tǒng)。它們必須保持嚴(yán)格的時(shí)序，但甚至少量的擴(kuò)頻時(shí)鐘就可以使一塊系統(tǒng)板通過FCC測(cè)試。Pericom公司的Annamalai指出，擴(kuò)頻時(shí)鐘尤其適用于存儲(chǔ)子系統(tǒng)。他說：“存儲(chǔ)器有越來越快的趨勢(shì)，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(kuò)展數(shù)據(jù)曲線，這一名稱取自流行的巧克力。

　　Lexmark公司發(fā)現(xiàn)并申請(qǐng)了這種數(shù)據(jù)曲線的專利。要理解這種響應(yīng)曲線，設(shè)想一個(gè)正弦頻率正在對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的工作頻率作調(diào)制；振蕩器花費(fèi)在兩端頻率的平均時(shí)間將大于兩端之間的時(shí)間。換句話說，時(shí)鐘會(huì)在頻率區(qū)間的外邊界處停留，正弦調(diào)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(shù)據(jù)曲線（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(tǒng)通過FCC測(cè)試。

　　Pericom采用高Q源低抖動(dòng)的石英作為系統(tǒng)時(shí)鐘。通過這種晶體與高性能低抖動(dòng)PLL的結(jié)合，該公司提供一種掃頻振蕩器，它消耗能量最低，并結(jié)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，該公司的實(shí)現(xiàn)方式是使硅儲(chǔ)能電容運(yùn)行在高頻下，然后作分頻，于是功耗高于石英器件。不過，硅工藝與硅設(shè)計(jì)技術(shù)正在快速進(jìn)步，因此硅振蕩器的各種規(guī)格幾乎都應(yīng)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)品營銷總監(jiān)MikePetrowski稱：“無需使用機(jī)械式振蕩器是最終夢(mèng)想。如果消除了機(jī)械式振蕩器，就可以提高可靠性、簡化制造流程，并易于大批量生產(chǎn)。”Petrowski堅(jiān)持認(rèn)為硅振蕩器不會(huì)消耗過多能量，因?yàn)樗麄儾捎脺囟妊a(bǔ)償方法去獲得精度，而不是對(duì)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(duì)功耗作評(píng)估，以確保使用的技術(shù)適合于自己的應(yīng)用。要注意一些細(xì)微之處，如石英晶體或MEMS振蕩器會(huì)在上電起動(dòng)的數(shù)毫秒內(nèi)拉入更多電流。對(duì)于微功耗應(yīng)用或需要不斷起動(dòng)和停機(jī)的應(yīng)用，這種超額電流可能會(huì)產(chǎn)生問題。

　　除了精度和功耗以外，振蕩器的另一個(gè)重要規(guī)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(wěn)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(shù)應(yīng)用中使器件無法使用；一個(gè)開關(guān)電源可能不會(huì)工作在這么寬的范圍內(nèi)，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(tǒng)都不可能包括ADC或DAC，因?yàn)轭l率的變化會(huì)毀掉數(shù)字處理，即使平均頻率是穩(wěn)定的。因此，很多公司的振蕩器設(shè)計(jì)小組都在公司的模擬部門。PLL是一種模擬元件，很多規(guī)格（如抖動(dòng)）對(duì)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(jù)Linear Technology公司信號(hào)調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計(jì)部主任DougLaPorte的說法，在相同條件下，很容易將抖動(dòng)規(guī)格作出錯(cuò)誤表述。他說，有些公司僅在某個(gè)頻率范圍上確定抖動(dòng)的規(guī)格。這些公司提供的相位噪聲圖可能只包括特定數(shù)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)）這類光通信標(biāo)準(zhǔn)會(huì)傳輸，作PLL，然后再傳輸。循環(huán)有一個(gè)設(shè)計(jì)帶寬，使系統(tǒng)拒絕循環(huán)外的相位噪聲，而允許循環(huán)內(nèi)的噪聲。LaPorte指出：“［這些制造商］ 給出的規(guī)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(duì)設(shè)計(jì)的抖動(dòng)性能有負(fù)面作用。SiliconLabs的Petrowski稱，該公司過去擔(dān)心老式PLL的不良名聲。他說：“當(dāng)我們推出自己基于PLL的振蕩器時(shí)，我們都擔(dān)心會(huì)有一些負(fù)面意義。我們對(duì)這些器件作了大量研發(fā)工作，并申請(qǐng)了大量專利，做一個(gè)低抖動(dòng) PLL是絕對(duì)有可能的，尤其是在更精細(xì)的IC尺度下。”

　　一款PLL的特性及其模擬濾波、相位檢測(cè)和VCO（壓控振蕩器），在電路的各個(gè)點(diǎn)都引起更多抖動(dòng)。過去五年來，設(shè)計(jì)者開始采用打線作為IC上的小型導(dǎo)體，替代IC片芯上分散的空間導(dǎo)體?，F(xiàn)在，IC設(shè)計(jì)者可以用電感和電容作為電抗元件，濾波器與儲(chǔ)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(shè)計(jì)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?yàn)樗麄兛梢允拐袷幤饔锌烧{(diào)頻率和低抖動(dòng)。這些公司包括 Pericom、Silicon Labs、SiTime、安塞美半導(dǎo)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營銷副總裁Piyush Sevalia說，對(duì)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(cè)試，可得到5億小時(shí)MTBF，而石英只有1000萬至 3000萬小時(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(xiàn)出來，但MEMS和硅振蕩器都對(duì)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(diào)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(zhàn)是保持振蕩硅元件的原子級(jí)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(guī)格失效，制造商用各種方法來克服這一挑戰(zhàn)。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。所有工作都在一個(gè)外延反應(yīng)堆中完成，這個(gè)高度真空的半導(dǎo)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(nèi)，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?yàn)樗鼈兗闪薖LL。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(jì)算機(jī)的USB端口。Discera公司銷售與營銷副總裁GerryBeemiller稱，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則在推銷快速周轉(zhuǎn)概念，而不是現(xiàn)場編程能力。由于它采用的是無石英工藝，因此聲稱它可以在數(shù)天內(nèi)提供工作于任意頻率的器件。

　　在數(shù)據(jù)采集數(shù)字系統(tǒng)中，精確無誤的時(shí)間永遠(yuǎn)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(quán)衡因素，包括精度、功耗、抖動(dòng)和可編程能力，以及任何擴(kuò)頻需求。要記住，如果你未能通過FCC測(cè)試，為電源或系統(tǒng)時(shí)鐘選擇一種擴(kuò)頻振蕩器總是可取的方法。這種情況總是出現(xiàn)在最糟不過的時(shí)候：正當(dāng)你準(zhǔn)備好交付產(chǎn)品時(shí)，擁有一款可替代固定振蕩器的高級(jí)品總是一個(gè)很好的保險(xiǎn)措施。經(jīng)過對(duì)所有這些因素的權(quán)衡，并明白它們?nèi)绾闻c應(yīng)用需求相匹配，選擇振蕩器就應(yīng)成為一種明明白白的工作。