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晶振雖小,作用很大


www.htdpm.cn 2011年9月18日

    

晶振是很多電子產品不可或缺的部件,是時序電路的心臟,晶振的主要作用是為系統提供基本的時鐘信號,如果晶振不能正常工作,各元件之間就沒有辦法協調工作,從而導致錯誤頻發,甚至引致整個系統崩潰,所以晶振的穩定性十分重要.

雖然它沒有集成電路那樣耀眼的光環,但是一顆小小的晶振的缺失或者質量不好的晶振可能會讓你的產品難以下線,影響你產品的質量和品牌,影響產品的全線銷售,甚至出現重大事故.

例如,調查人員通過分析1972年加州Fremont火車撞車事故,發現起因是一塊控制板上的晶振故障。晶振儲能電容取值不當,使晶體過驅,器件跳入一種泛音振蕩頻率。于是,火車進站時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。

振蕩器就像電子系統中的電源一樣無處不在,有人認為它們的重要性等同于電源,在任何需要時序信號的東西中都能發現它們的應用,從數字手表到電視和PC。由于它們在電子設備時序中扮演重要角色,它們的失效會導致整個系統的停機。

  一切數字設備都需要時鐘源,如硅與MEMS(微機電系統)振蕩器、石英晶體或陶瓷詣振器。例如,電信與服務器的一塊PCB(印制電路板)上就可能需要十幾種時鐘。設計者實現傳統時鐘源時采用的是石英晶體振蕩器,但MEMS和純硅振蕩器正在這個高度分化的市場中獲得立足點。另外,精度不高的振蕩器也采用陶瓷材料,如鋯鈦酸鉛。應用推動著一種技術的適用性。例如,如果你需要一個精度優于1 ppb(十億分之一)的時鐘源,則必須放棄MEMS而使用原子振蕩器件,如銣時鐘或銫時鐘源。這些器件有1ppt(萬億分之一)的精度。例如,GPS(全球定位系統)衛星需要這種精度來保持與系統其它部分的同步(圖1)。

圖1振蕩器在功耗與準確度之間進行折衷因此選擇取決于應用的需求


  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數,因為用十億分之一作單位得到的數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,老化或溫度變化所致的漂移可能改變這一區間。因此,廉價陶瓷諧振器的公差只有±1.1%,較高端的汽車與商務產品精度則分別為±0.25%和±0.3%。這些公差較嚴格陶瓷諧振器的目標是商用USB(通用串行總線)2.0電路及汽車CAN(控制器局域網絡)總線應用,工作溫度為?40°C至+125°C。頻率為200 kHz至約1 GHz的低成本陶瓷諧振器適用于對時序要求不嚴格的嵌入系統。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/異步收發器)的數字系統,應對其作誤差預算(error-budget)分析,以確保從諧振器頻率得到的波特率符合規格要求。如果你只在代碼開發期間使用UART,則能夠在制造期間轉而采用陶瓷諧振器,以節省成本。

  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格而有廣泛的精度范圍。意法半導體等公司制造的這類振蕩器具備陶瓷諧振器的全部優點,而體積更小,價格更低。該公司產品營銷工程師Louis Grantham稱:“硅振蕩器的重點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械共振方式,建立一個有精密頻率的電信號。該頻率一般用于跟蹤時間,如石英手表中的頻率;為數字集成電路提供穩定的時鐘信號;以及穩定射頻發射機與接收機的頻率。自上世紀20年代起,工程師們就開始將這些晶體用于建立射頻頻率,當時貝爾電話實驗室的AM Nicholson和Wesleyan大學的WG Cady教授一起研究酒石酸鉀晶體,他們發現了一個驅動電路中石英晶片的諧振反應(參考文獻1)。不過在二戰以前,研究人員還沒有研究出大批量制造的方法(參考文獻2)。如果在一塊石英晶體上以相對晶格點陣正確的角度切割出振蕩器元件,則可以消除溫度的效應。有些切割晶體具有零溫度系數,而LC切割則用于溫度計(圖2)。

圖2可從一個石英晶體進行多種切割鐘表制造商利用小型音叉晶體進行適當的GT切割


  因為你是從一種礦物得到石英晶體,不要假定一個石英振蕩器是低技術性器件(參考文獻3)。今天石英晶體的制造商都采用大型反應爐(或高壓釜)作石英晶體的生長,使用高溫和30000 psi(磅每平方英寸)以上的高壓(參考文獻4和圖3)。石英晶體在一個高壓釜中的生長要花數月時間,任何地震活動或加熱器供電上最微小的降級或損失都會毀掉整個批次。一家日本公司NDK已有幾十年制造石英晶體的歷史,現在伊利諾伊州的Belvidere擁有高壓釜。基于上述原因,該公司決定在中西部開設新工廠,因為那里電網的可靠性很高,并且地震發生率很低。

該公司業務與應用發展總經理Craig Taylor稱:“我們將石英礦置入一個大型容器內,該容器采用了軍艦主炮的技術。然后,我們將種子石英放在石英礦上方的筐內。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。它自己會附著于種子石英上,而各種臟物與雜質則留在容器的底部。”

圖3石英晶體在高壓釜內生長為近乎純石英晶體


  加入放大與緩沖就使一只晶體成為一個XO(晶體振蕩器)。增加溫度補償電路就得到一個精度為1 ppm(百萬分之一)的TCXO(溫控晶體振蕩器),將整個振蕩器置入一個控溫的封裝中,就得到一個OCXO(恒溫晶體振蕩器),精度可達十億分之一區間。一個有1 ppm精度的30 MHz振蕩器,隨時間與溫度變化的誤差只有30 Hz。只有銣和銫原子鐘才更精準,主要原因是原子振蕩源與溫度無關。有些公司還提供PXCO(可編程晶體振蕩器),你可以寫入芯片中的數字寄存器,調整頻率。

  Pericom公司產品營銷經理Nancy Zhang表示,給一個晶體增加PLL(鎖相環),就能以低于石英晶體的成本得到更高的頻率。該公司高級營銷總監Kay Annamalai認為一個三次泛音晶體只能產生150 MHz頻率。當需求超出該頻率時,設計者一般會加PLL。他描述了Pericom的一種不用PLL實現倍頻的專利技術。這種方法同樣可降低晶體成本,而且也改進了抖動特性。該公司的XP技術避免使用PLL,而頻率可超過150 MHz。

  Epson Electronics America公司總監CS Lam認為PLL也可以提高性能。Lam指出,該公司使用分數PLL電路實現了優于10 ppm的精度。他還指出,第一款在12 kHz至20 MHz區間內相位抖動低于1 ps-rms的PLL晶體振蕩器出現于2004年(參考文獻5)。

  增加PLL亦可以通過電控修改工作頻率,有助于符合FCC(聯邦通信委員會)和CE(歐共體市場標準)的輻射標準。當PLL改變時鐘頻率時,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頻段中。注意該技術并沒有降低輻射量;而只是將其掃過一個頻段,使能量測量儀器獲得一個較低的讀數。EMI留出了頻譜分析儀的測量帶寬,減少了測量讀數,能幫助你的產品通過符合性測試。

  擴頻時鐘亦在振蕩器選擇中扮演著一種角色。它有兩種廣泛的應用:計算機與通信中的電源和系統時鐘。電源可以使用最多變動10%的振蕩器,將能量散布在一個寬頻帶上,大大降低測量值。這些設備采用了環形振蕩器或LC儲能,不需要石英級的精度。振蕩電路的PLL部分用硅振蕩器的輸出來建立擴頻時鐘。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時間。由于LC儲能器或環形振蕩器有低得多的Q(質量)值,優于任何石英晶體或MEMS振蕩器,也許你會認為硅振蕩器的振蕩維持要花更多的能量。然而,它只需要毫瓦級能量,因為振蕩器中的功耗取決于PLL以及溫度補償電路的工藝與架構。

  擴頻時鐘的另一個應用是抖動或噪聲所占百分比較少的數字系統。它們必須保持嚴格的時序,但甚至少量的擴頻時鐘就可以使一塊系統板通過FCC測試。Pericom公司的Annamalai指出,擴頻時鐘尤其適用于存儲子系統。他說:“存儲器有越來越快的趨勢,因此你會希望分散這種單一頻譜。”該公司使用的是Hershey’s Kiss擴展數據曲線,這一名稱取自流行的巧克力。

  Lexmark公司發現并申請了這種數據曲線的專利。要理解這種響應曲線,設想一個正弦頻率正在對系統時鐘的工作頻率作調制;振蕩器花費在兩端頻率的平均時間將大于兩端之間的時間。換句話說,時鐘會在頻率區間的外邊界處停留,正弦調制在此處緩慢改變方向。這種改變產生了“蝙蝠耳”式頻域數據曲線(圖4)。使用了Hershey’s Kiss波形后,制造商可以消除蝙蝠耳,使你的系統通過FCC測試。

圖4擴頻振蕩器使用可變頻率減少電磁輻射


  Pericom采用高Q源低抖動的石英作為系統時鐘。通過這種晶體與高性能低抖動PLL的結合,該公司提供一種掃頻振蕩器,它消耗能量最低,并結合了石英與硅的優點。

  選擇振蕩器時的另一個考慮因素是功耗。新興公司Mobius Microsystems提供一種純硅振蕩器,它提供接近石英的精度、快速起動,以及高的耐受沖擊能力。不過,該公司的實現方式是使硅儲能電容運行在高頻下,然后作分頻,于是功耗高于石英器件。不過,硅工藝與硅設計技術正在快速進步,因此硅振蕩器的各種規格幾乎都應很快得到改善。

  Silicon Laboratories是另一家在硅技術上領先的公司,它同時制造純硅振蕩器,以及為石英晶體配合PLL的器件(參考文獻6)。這些器件的精度適合于低端晶振。該公司時序產品營銷總監Mike Petrowski稱:“無需使用機械式振蕩器是最終夢想。如果消除了機械式振蕩器,就可以提高可靠性、簡化制造流程,并易于大批量生產。”Petrowski堅持認為硅振蕩器不會消耗過多能量,因為他們采用溫度補償方法去獲得精度,而不是對較高頻率作分頻的PLL。

 Discera和SiTime兩家公司的振蕩器都是全可編程產品,因為它們集成了PLL。Discera還提供一種不到500美元的工具包,包括一個手持編程器和200個器件;編程器連接到計算機的USB端口。Discera公司銷售與營銷副總裁Gerry Beemiller稱,用這個工具包可以建立起1MHz至150MHz頻率的高精度振蕩器。反之,SiTime則在推銷快速周轉概念,而不是現場編程能力。由于它采用的是無石英工藝,因此聲稱它可以在數天內提供工作于任意頻率的器件。

  在數據采集數字系統中,精確無誤的時間永遠是關鍵。如果性能略微不良的陶瓷諧振器時基或低性能的硅振蕩器不能滿足你的需求,那么可以從整個石英技術系列產品中選擇一款器件。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,你會看到振蕩器的選擇非常關鍵。要了解所有的權衡因素,包括精度、功耗、抖動和可編程能力,以及任何擴頻需求。要記住,如果你未能通過FCC測試,為電源或系統時鐘選擇一種擴頻振蕩器總是可取的方法。這種情況總是出現在最糟不過的時候:正當你準備好交付產品時,擁有一款可替代固定振蕩器的高級品總是一個很好的保險措施。經過對所有這些因素的權衡,并明白它們如何與應用需求相匹配,選擇振蕩器就應成為一種明明白白的工作。

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