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(yīng)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(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(zhǎng)的起動(dòng)時(shí)間，不過(guò)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(wú)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(guò)分析1972年加州Fremont火車(chē)撞車(chē)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(guò)驅(qū)，器件跳入一種泛音振蕩頻率。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(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?。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(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(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(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(wàn)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(lái)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(jiǎn)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(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(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(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(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(chē)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(kāi)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?jī)?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：“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?！?br />