實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊與實(shí)時(shí)時(shí)鐘分立元器件的比較

內(nèi)建晶體單元的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特征

【序文】

社會(huì)中存在著為數(shù)眾多的需要更精確時(shí)間的應(yīng)用程序，例如金融處理系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、電表、產(chǎn)業(yè)用測試儀器、辦公自動(dòng)化工 具、醫(yī)療或娛樂產(chǎn)品等。為了獲得精確的時(shí)間，必須擁有①高精度振蕩頻率的元器件②控制元器件的芯片。顧客在進(jìn)行上述應(yīng)用 程序設(shè)計(jì)時(shí)可選用兩種方法：其一是采用分立元器件的方法，分別獲得①和②；其二是采用①、②合為一體的模塊。分立元器件 還是模塊的選擇在顧客的設(shè)計(jì)工作負(fù)擔(dān)與產(chǎn)品性能方面相差甚遠(yuǎn)。愛普生生產(chǎn)和銷售的模塊將能夠振蕩高精度、高穩(wěn)定頻率的石 英晶體單元和起到控制功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片合為一體。在此，我們將比較和說明本公司的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特征（功能）。

【愛普生實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特征】

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊是將 32.768kHz 晶體單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片封裝在一起的產(chǎn)品，具備振蕩電路、時(shí)鐘功能、日歷功能和報(bào)警功能等。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊中使用的石英晶體單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片由愛普生自行開發(fā)和生產(chǎn)。因此，可以穩(wěn)定供給最適于高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的石英晶體單元，以及在最佳條件下驅(qū)動(dòng)該振蕩單元的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。而且，愛普生半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用從世界首塊實(shí)用型石英電子手表起步，還被用于奧運(yùn)會(huì)公式計(jì)時(shí)系統(tǒng)和以“Grand Seiko”為代表的精工牌高級(jí)手表的心臟部控制。這些用于控制芯片的半導(dǎo)體技術(shù)與杰出的低耗能、高穩(wěn)定石英振蕩技術(shù)相結(jié)合，形成了高質(zhì)量實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的基礎(chǔ)。

如上所述，我們通過獨(dú)自開發(fā)的石英晶體單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，實(shí)現(xiàn)最佳匹配，最大發(fā)揮雙方的實(shí)力，從而為顧客提供能發(fā)揮高性能的產(chǎn)品。

下文說明本公司實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊所具有的特征。

【特點(diǎn)之一：時(shí)鐘精度已調(diào)節(jié)完畢】

愛普生的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊內(nèi)建 32.768kHz 晶體單元與實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用一體型結(jié)構(gòu)，并在出廠前調(diào)節(jié)了頻率精度之后提供給顧客。為此，顧客不再需要另配部件，能夠削減顧客基板上使用的部件數(shù)量。

若采用分立元器件，振蕩頻率將受基板導(dǎo)電圖案的雜散電容、芯片內(nèi)部電容以及晶體單元等的偏差的影響而變化。因此，顧客必須花費(fèi)精力進(jìn)行精度設(shè)計(jì)以彌補(bǔ)頻率偏差。而且，顧客還需要考慮到采用分立元器件結(jié)構(gòu)時(shí)如圖 1 所示的必要評(píng)估項(xiàng)目，例如時(shí)鐘精度調(diào)節(jié)和振蕩電路的振蕩穩(wěn)定性。

圖2表示采用分立元器件產(chǎn)品時(shí)所產(chǎn)生的偏差現(xiàn)象。

市場中通常銷售的音叉型石英晶體單元的頻率公差精度為+20x10。由于晶體單元的生產(chǎn)過程中將對(duì)每件產(chǎn)品的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),。所以偏差集中在數(shù)據(jù)中心。而芯片間的偏差為+10x10“左右，因生產(chǎn)批號(hào)不同而呈現(xiàn)不同中心的數(shù)據(jù)分布。

使用以上兩種部件構(gòu)成的分立元器件產(chǎn)品需要外設(shè)電容器并在基板上引接布線用于調(diào)節(jié)頻率,考慮這些因素后的偏差如圖2所示。

與此相對(duì)，愛普生的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊中采用了本公司自行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的 32.768kHz 晶體單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可對(duì)晶體單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便吸收芯片的偏差（如圖 3 所示），也不需要采用分立元器件時(shí)用于調(diào)節(jié)頻率的外建電容器和引接布線。因此，與分立元器件方式相比，可將綜合偏差降低至 2/3。而且，采用模塊方式可減少顧客用于電路評(píng)估（匹配評(píng)估）部件評(píng)估的工作量，為縮短開發(fā)周期做出貢獻(xiàn)。

愛普生又推出了內(nèi)建 TCXO 的數(shù)字式實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊“RX4803SA/LC”及“RX8803SA/LC”，可提供更高的時(shí)鐘精度。具體請(qǐng)查看《內(nèi)建 TCXO 數(shù)字式實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的特征》。

【特點(diǎn)之二:高可靠性】

通常的實(shí)時(shí)時(shí)鐘利用極弱的電流工作，振蕩單元周圍的振蕩電路易受外界環(huán)境的影響。采用分立元器件方式時(shí)，容易受外界環(huán)境影響的振蕩電路部分暴露在基板上，易受冷凝等影響。

如圖4所示，當(dāng)振蕩電路部分遭受冷凝等影響時(shí)，振蕩將變得不穩(wěn)定(2)，或?qū)a(chǎn)生振蕩停止(3)而無法繼續(xù)計(jì)時(shí)等不良。所以，采用分立元器件方式時(shí)需要涂抹鍍層劑等避免冷凝影響，解決上述問題。

與此相對(duì)，愛普生實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的振蕩電路部分沒有暴露在外，不易受冷凝等影響。因此，不需要涂抹鍍層劑，可保持產(chǎn)品的高可靠性。

【使用晶體單元的模塊與 MEMS 模塊的比較】

基于能以極弱電流保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘的市場要求，用于計(jì)時(shí)的低頻時(shí)鐘一般采用音叉型石英晶體單元。為此，顧客大多選用32.768kHz 的晶體單元，但近幾年也逐漸出現(xiàn)了內(nèi)建 MEMS 的一體型高精度模塊（時(shí)鐘精度：-40 至+85℃條件下月差 13 秒）。在此，我們對(duì)使用晶體單元的模塊與 MEMS 模塊進(jìn)行比較。

【關(guān)于電流消耗】

與音叉型晶體單元相比，MEMS 模塊產(chǎn)品難以實(shí)現(xiàn)較低的頻率。所以，其振蕩頻率設(shè)定為比較容易制造的幾百千赫左右，通過分頻達(dá)到用于時(shí)鐘的目標(biāo)頻率。

圖 5 表示愛普生模塊產(chǎn)品與 MEMS 模塊產(chǎn)品的電流消耗。

愛普生產(chǎn)品的電流為 0.75uA，MEMS 產(chǎn)品則是 2.5 倍以上的 2 uA，可以得出 MEMS 產(chǎn)品在市場需求的長時(shí)間備用方面沒有優(yōu)勢。

為此，MEMS 產(chǎn)品需要大容量電池，顧客或?qū)⒚媾R成本上升、產(chǎn)品難以小型化的問題。

圖 5：MEMS 模塊產(chǎn)品與愛普生產(chǎn)品的電流消耗之比較

【關(guān)于 32.768kHz 頻率輸出功能】

時(shí)鐘用音叉型晶體單元輸出的 32.768kHz 頻率也是一些顧客的利用對(duì)象，輸出頻率亦需要達(dá)到高精度。圖 6 表示愛普生產(chǎn)品與MEMS 產(chǎn)品的 32.768kHz 輸出頻率溫度特性曲線。

圖 6：愛普生產(chǎn)品與 MEMS 產(chǎn)品的 32.768kHz 輸出頻率溫度特性之比較

在-40 至+85℃的溫度范圍中，愛普生產(chǎn)品的頻率輸出精度可達(dá)到±5×10-6 的高精度（相當(dāng)于月差 13 秒），而 MEMS 產(chǎn)品無法對(duì)輸出的頻率進(jìn)行溫度補(bǔ)償，致使同樣溫度范圍內(nèi)的輸出精度達(dá)到±0.2%（相當(dāng)于月差 86 分鐘），出現(xiàn)了很大的偏差。為此，MEMS產(chǎn)品的頻率輸出無法用于時(shí)鐘。

【關(guān)于時(shí)鐘精度調(diào)節(jié)功能】

愛普生亦推出了搭載邏輯調(diào)整方式的產(chǎn)品（*3），以回應(yīng)搭載到產(chǎn)品之后需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)時(shí)鐘精度的需求。該功能可推前或延遲實(shí)時(shí)時(shí)鐘的內(nèi)建時(shí)鐘時(shí)刻。它能夠以±3.05×10-6 的單位，把通過 32.768 kHz 的內(nèi)部石英振蕩電路制作的時(shí)鐘/時(shí)鐘精度前進(jìn)或延緩到±189.1×10-6 為止，從而實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)刻時(shí)鐘。

（*3）搭載邏輯調(diào)整方式的機(jī)型：RX6110SA、RX-8035SA/LC、RX-4035SA/LC、RX-8025SA/NB、RX-4045SA/NB、RTC-7301SF/DG

綜上所述，愛普生憑借具有低耗電優(yōu)勢的音叉型石英晶體單元生產(chǎn)技術(shù)及頻率溫度特性的補(bǔ)償電路技術(shù)，向市場提供高精度、低耗電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊產(chǎn)品。與分立元器件或同樣的模塊產(chǎn)品相比，其整體性能亦十分優(yōu)越。而且，我們的產(chǎn)品在出廠前調(diào)整了頻率精度，在保證了精度的基礎(chǔ)上提供給顧客，所以使用時(shí)不需要調(diào)節(jié)頻率，為顧客提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量做出巨大貢獻(xiàn)。