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石英晶振、硅晶振和陶瓷晶振的工作原理與驅動

芯情觀察猿 ? 來源:芯情觀察猿 ? 作者:芯情觀察猿 ? 2022-07-06 09:41 ? 次閱讀

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、驅動電路各不不同,性能及目標應用也不一樣,應用選型時需要多方面權衡。

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以下按起振材料和驅動電路的不同,分別對這些頻率元器件進行分類對比。

1.起振材料

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

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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,需要配置驅動電路才能構成振蕩器,并且輸出信號的電壓由起振電路決定,允許不同的電壓輸出,但信號質量和精度都不如有源的晶體振蕩器(XO)。應用中,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更換外圍電路。

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有源晶振(XO)帶有驅動電路并優化完成

有源晶振(XO)是帶有驅動電路,并匹配優化完成,已經封裝完好的振蕩器,可以提供高精度的頻率基準。使用時,用戶不需要配置,只要選對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,老化或溫漂可使精度超出這一范圍。廉價陶瓷諧振器的頻差只有±1.1%,較高端的可達±0.25%和±0.3%。

陶瓷器件起動較快,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,因此大量應用于汽車CAN總線控制,以及對時序要求不嚴格的低成本嵌入式系統

(3)陶瓷諧振器

硅振蕩器(MEMS硅晶振)采用標準半導體工藝制程,是組合了MEMS與CMOS電路技術的高性能全硅時鐘頻率器件,有望解決生產工藝復雜的石英振蕩器的各種弊端,包括穩定性不高,頻率有限,尺寸較大,品質一致性差,備貨時間長,以及受材料特性限制產能等一系列問題。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,但電路布設靈活,成本也非常最低,是目前應用最廣泛的時鐘發生電路。

(4)硅振蕩器

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

1)全自動化半導體工藝(芯片級),無氣密性問題,永不停振。

2)內部包含溫補電路,溫漂很小。

3)平均無故障工作時間5億小時。

4)抗震性能25倍于石英振蕩器。

5)支持1-800MHZ任一頻點,精確致小數點后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所有標準尺寸封裝。

9)標準四腳、六腳封裝,無需任何設計改動,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(TCXO)等產品種類。

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硅振蕩器的優勢

硅振蕩器可通過芯片內的fractional - NPLL和非易失性存儲器,對頻率、電壓和精度進行編程調整,并組合成不同功能的時鐘產品。除了SiTime外,硅振蕩器主要由一些半導體芯片廠商制造,如ADIdiodes、ST、TI等。

2.驅動電路

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,給諧振器加上驅動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,用戶可根據應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勢,頻率精度遠遠高于陶瓷諧振器,但成本也比陶瓷諧振器高很多。

陶瓷諧振器的頻率誤差、品質因數等性能遠低于石英產品,頻率溫度穩定性也較差。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品的頻率控制需求,適合那些成本敏感且對性能要求不高的場合。

(2)振蕩器

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

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諧振器加上驅動電路就構成了振蕩器

與諧振器相比,振蕩器是一種有源器件,多了一個用來控制頻率的振蕩電路,可產生精準、規則的頻率信號(通常是正弦波或方波),這些信號質量好、穩定,而且連接方式相對簡單,用戶只需做好電源濾波即可,不需要復雜的配置電路。

當然,振蕩器也有缺點,信號電平是固定的,需要選擇好合適輸出電平,而且體積較大、價格高,有些石英晶體振蕩器的起振時間較長,用起來不夠靈活,限制了用戶的自由發揮空間。但是誰都不拒絕高性能和高可靠,例如工業、醫療、科學研究等時序敏感型應用。

審核編輯:湯梓紅

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