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。由于它們在電子設(shè)備時(shí)序中扮演重要角色，它們的失效會導(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時(shí)序要求不嚴(yán)格的嵌入系統(tǒng)。陶瓷器件起動較快，一般體積小于石英器件。它們也更能承受沖擊與振動。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(shù)字系統(tǒng)，應(yīng)對其作誤差預(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?！?br />