硅頻率控制器晶體替代石英晶體 有望成為未來市場的寵兒

　　引言

　　晶體的主要組成部分是二氧化硅，俗稱石英。石英具有非凡的機械和壓電特性，使得從19世紀40年代中期以來一直作為基本的時鐘器件。如今，只要需要時鐘的地方，工程師首先想到的就是晶體。

　　晶體的特點及參數(shù)

　　封裝

　　晶體的封裝如圖1所示，有三部分組成：金屬上蓋，帶有電極的石英片和陶瓷底座。一般來說，還需要向密封殼內充氮氣。

?

　　圖1 晶體封裝圖

　　現(xiàn)在幾乎所有的陶瓷密封裝都是由三家日本公司提供，但是由于日本地震和海嘯，產(chǎn)量嚴重受影響。今后很長一段時間將難以滿足市場需求。

　　石英材料

　　石英以其固有的壓電特性成為晶體中的主要部分。但是它必須經(jīng)過切割打磨才能使用，由于其厚度非常薄，雖然采取了保護措施，但是其抗震性一直是大家所擔心的。

　　精度

　　所謂精度就是實際的時鐘頻率偏離標準時鐘頻率的程度。用公式表示為：

　　Error (PPM) = (Factual-Ftarget) / Ftarget * 10E6

　　Error：精度

　　Factual：實際頻率

　　Ftarget：標準頻率

　　PPM：百萬分之一

　　在晶體的應用中，有這幾個方面需要考慮：

　　1) 頻率公差：就是在通常的環(huán)境溫度下(25°C+/-5°C)實際頻率偏離標準頻率的值。

　　2) 頻率溫度特征：就是在整個溫度變化范圍內，實際頻率偏離標準頻率的值?，F(xiàn)在通常有三種溫度范圍：0°C--70°C，-20°C--70°C和-40°C--85°C。

　　3) 老化：晶體的內部特性隨著時間的推移發(fā)生變化引起的頻率的偏差，稱為晶體的老化。一般來說，第一年晶體的精度受老化的影響為5PPM，以后每年大約為1-3PPM。如果一個產(chǎn)品的設計生命周期為10年，則老化帶來的頻率精度變化最高可達32PPM。

　　4)負載電容精度變化引起頻率的變化：這個因素往往容易被忽視。在晶體的應用中有兩種工作模式，串行振蕩模式和并行振蕩模式。由于并行模式設計靈活并且有很高的輸出精度，現(xiàn)在已成為市場主流。圖2是并行振蕩模式的等效電路圖：

?

　　圖2 并行振蕩模式等效電路圖

　　R1：動態(tài)阻抗

　　C1：動態(tài)電容

　　L1：動態(tài)電感

　　C0：靜態(tài)電容

　　CL：負載電容

　　并行振蕩模式的頻率可根據(jù)以下公式：

　　FL=[1/2π√(L1*C1))]*√[1+C1/(C0+CL)]

　　其中[1/2π√(L1*C1))]是晶體串行振蕩模式的頻率

　　根據(jù)泰勒展開：

　　FL=[1/2π√(L1*C1)]*[1+C1/2(C0+CL)] (1)

　　從公式中可以看出，頻率與C0,C1和CL都有關。

　　在基頻諧振中C1為10-30fF，一般取值為20fF。C0取值與晶體的尺寸有關，一般取值為5pF。但是CL的計算與晶體外接電容和PCB設計和材料有關。下圖是參考電路圖

?

　　圖3 晶體外接負載電容示意圖