石英晶振、硅晶振和陶瓷晶振的工作原理與驅(qū)動(dòng)

頻率元器件有石英晶體諧振器(quartz crystal resonator)、石英晶體振蕩器(crystal oscillator module)、硅振蕩器(Si-MEMS oscillator)、陶瓷諧振器(ceramic resonator)四種。由于起振材料、驅(qū)動(dòng)電路各不不同，性能及目標(biāo)應(yīng)用也不一樣，應(yīng)用選型時(shí)需要多方面權(quán)衡。

以下按起振材料和驅(qū)動(dòng)電路的不同，分別對(duì)這些頻率元器件進(jìn)行分類對(duì)比。

1.起振材料

按時(shí)鐘源的起振材料，頻率元器件可分為石英(SIO2)、硅(SI)、陶瓷三大類。

石英晶體諧振器(Xtal)、晶體振蕩器(XO)與陶瓷諧振器

(1)石英頻率元器件

石英頻率元器件有晶體諧振器(Xtal)、晶體振蕩器(XO)兩類，它們都采用石英片作為起振源。

諧振器(Xtal)是無源元件，需要配置驅(qū)動(dòng)電路才能構(gòu)成振蕩器，并且輸出信號(hào)的電壓由起振電路決定，允許不同的電壓輸出，但信號(hào)質(zhì)量和精度都不如有源的晶體振蕩器(XO)。應(yīng)用中，用戶需要精確匹配外圍電路(電感、電容、電阻等)，如需更換晶振就要同時(shí)更換外圍電路。

有源晶振(XO)帶有驅(qū)動(dòng)電路并優(yōu)化完成

有源晶振(XO)是帶有驅(qū)動(dòng)電路，并匹配優(yōu)化完成，已經(jīng)封裝完好的振蕩器，可以提供高精度的頻率基準(zhǔn)。使用時(shí)，用戶不需要配置，只要選對(duì)頻率和輸出電平格式就OK了。

(2)陶瓷諧振器

陶瓷諧振器也是一種重要的頻率元件，典型初始精度在0.5%至0.1%范圍內(nèi)，老化或溫漂可使精度超出這一范圍。廉價(jià)陶瓷諧振器的頻差只有±1.1%，較高端的可達(dá)±0.25%和±0.3%。

陶瓷器件起動(dòng)較快，工作溫度為-40°C至+125°C，而且體積一般小于石英器件，也更能承受沖擊與振動(dòng)，因此大量應(yīng)用于汽車CAN總線控制，以及對(duì)時(shí)序要求不嚴(yán)格的低成本嵌入式系統(tǒng)。

(3)陶瓷諧振器

硅振蕩器(MEMS硅晶振)采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝制程，是組合了MEMS與CMOS電路技術(shù)的高性能全硅時(shí)鐘頻率器件，有望解決生產(chǎn)工藝復(fù)雜的石英振蕩器的各種弊端，包括穩(wěn)定性不高，頻率有限，尺寸較大，品質(zhì)一致性差，備貨時(shí)間長，以及受材料特性限制產(chǎn)能等一系列問題。不過，硅晶振目前尚未成為主流。

RC振蕩器是性能最差的振蕩器，但電路布設(shè)靈活，成本也非常最低，是目前應(yīng)用最廣泛的時(shí)鐘發(fā)生電路。

(4)硅振蕩器

硅振蕩器(Si-MEMS oscillator)以硅為起振材料，通過半導(dǎo)體MEMS工藝制成，性能與石英振蕩器相當(dāng)，并具有低成本、與半導(dǎo)體工藝兼容性好等優(yōu)勢，適合AIOT終端小體積、薄型化的發(fā)展方向。一些典型特征如下：

1)全自動(dòng)化半導(dǎo)體工藝(芯片級(jí))，無氣密性問題，永不停振。

2)內(nèi)部包含溫補(bǔ)電路，溫漂很小。

3)平均無故障工作時(shí)間5億小時(shí)。

4)抗震性能25倍于石英振蕩器。

5)支持1-800MHZ任一頻點(diǎn)，精確致小數(shù)點(diǎn)后5位輸出。

6)支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多種工作電壓匹配。

7)支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各種精度匹配。

8)支持7050、5032、3225、2520所有標(biāo)準(zhǔn)尺寸封裝。

9)標(biāo)準(zhǔn)四腳、六腳封裝，無需任何設(shè)計(jì)改動(dòng)，直接替代石英振蕩器。

10)支持差分輸出、單端輸出、壓控(VCXO)、溫補(bǔ)(TCXO)等產(chǎn)品種類。

硅振蕩器的優(yōu)勢

硅振蕩器可通過芯片內(nèi)的fractional - NPLL和非易失性存儲(chǔ)器，對(duì)頻率、電壓和精度進(jìn)行編程調(diào)整，并組合成不同功能的時(shí)鐘產(chǎn)品。除了SiTime外，硅振蕩器主要由一些半導(dǎo)體芯片廠商制造，如ADI、diodes、ST、TI等。

2.驅(qū)動(dòng)電路

從電路功能上，頻率元器件可分為兩大類，一類是諧振器(石英諧振器、陶瓷諧振器)，另一大類是振蕩器(石英晶體振蕩器、硅振蕩器、RC振蕩器)。簡單來說，給諧振器加上驅(qū)動(dòng)電路就變成了振蕩器。

(1)諧振器

諧振器包括石英諧振器、陶瓷諧振器兩種，它們配置靈活，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求自由選擇外圍振蕩電路及其元器件。

其中，石英諧振器具有眾所周知的天然優(yōu)勢，頻率精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陶瓷諧振器，但成本也比陶瓷諧振器高很多。

陶瓷諧振器的頻率誤差、品質(zhì)因數(shù)等性能遠(yuǎn)低于石英產(chǎn)品，頻率溫度穩(wěn)定性也較差。但是，陶瓷諧振器的尺寸較小，成本通常只有晶體諧振器的一半，也能滿足一些電子產(chǎn)品的頻率控制需求，適合那些成本敏感且對(duì)性能要求不高的場合。

(2)振蕩器

振蕩器(oscillator)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電，其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。

諧振器加上驅(qū)動(dòng)電路就構(gòu)成了振蕩器

與諧振器相比，振蕩器是一種有源器件，多了一個(gè)用來控制頻率的振蕩電路，可產(chǎn)生精準(zhǔn)、規(guī)則的頻率信號(hào)(通常是正弦波或方波)，這些信號(hào)質(zhì)量好、穩(wěn)定，而且連接方式相對(duì)簡單，用戶只需做好電源濾波即可，不需要復(fù)雜的配置電路。

當(dāng)然，振蕩器也有缺點(diǎn)，信號(hào)電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，而且體積較大、價(jià)格高，有些石英晶體振蕩器的起振時(shí)間較長，用起來不夠靈活，限制了用戶的自由發(fā)揮空間。但是誰都不拒絕高性能和高可靠，例如工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等時(shí)序敏感型應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅