淺談晶振選擇的那些事 - 全文

　　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(guò)驅(qū)，器件跳入一種泛音振蕩頻率。于是，火車進(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(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(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(kāi)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(guò)在二戰(zhàn)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(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(zhǎng)，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(zhǎng)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。基于上述原因，該公司決定在中西部開(kāi)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?！?/p>

　　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(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(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(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(shù)字寄存器，調(diào)整頻率。

　　Pericom公司產(chǎn)品營(yíng)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(yíng)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(guò)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(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(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(méi)有降低輻射量；而只是將其掃過(guò)一個(gè)頻段，使能量測(cè)量?jī)x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(guò)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(lái)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(guò)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(shuō)：“存儲(chǔ)器有越來(lái)越快的趨勢(shì)，因此你會(huì)希望分散這種單一頻譜?！痹摴臼褂玫氖?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(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)，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(guò)，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(yíng)銷總監(jiān)MikePetrowski稱：“無(wú)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(jiǎn)化制造流程，并易于大批量生產(chǎn)?！盤(pán)etrowski堅(jiān)持認(rèn)為硅振蕩器不會(huì)消耗過(guò)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(wèn)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(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(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(shuō)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(shuō)，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?！?/p>

　　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(guò)去擔(dān)心老式PLL的不良名聲。他說(shuō)：“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?！?/p>

　　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(guò)去五年來(lái)，設(shè)計(jì)者開(kāi)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)?！焙芏喙静捎眠@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(yíng)銷副總裁Piyush Sevalia說(shuō)，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(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(xiàn)出來(lái)，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(lái)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(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(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(yíng)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(chǎng)編程能力。由于它采用的是無(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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。