用来制造晶体晶振的材料至少有4,5种,除了比较熟悉的石英,水晶和陶瓷之外,还有Si硅,LC/RC这几种,不同的材料生产的晶振,使用效果和性能也不一样,因此应用的产品范围也会有些差别.例如陶瓷晶振一般适合用于电话机,游戏机,医疗器械,汽车,消费电子或一些工业产品身上,石英和水晶一般所以产品都适用,硅晶主要是用来生产MEMS可编程晶振,应用于中高端领域.
各种各样的电子设备需要参考信号.晶体器件是参考时钟的一个来源,但绝不是唯一的一个.其他来源包括LC振荡器,其由电感器(L)和电容器(C)组成,当连接以产生频率时谐振.CR振荡器用于充电/放电电路,包括电容器(C)和电阻器(R)以产生参考频率,陶瓷振荡器使用主要由锆钛酸铅(PZT)组成的压电陶瓷;和基于硅的振荡器,它们使用微机电系统(MEMS)技术.您选择的振荡器类型取决于应用.
陶瓷振荡器通常用作微处理器时钟信号和频率精度非关键的其他低频应用的源.陶瓷振荡器频率范围在200kHz和100MHz之间.它们在室温下的频率偏差通常约为0.1％-0.5％.这些振荡器具有价格优势,但陶瓷振荡器的折衷是响应温度变化的大频率波动,其中总频率稳定性低(约±1.1％).贴片振荡器主要用于需要高频和高频精度的应用,例如无线通信设备.近年来,基于硅的振荡器(Si-MEMS振荡器)已显示出性能增益,但各种实现之间仍存在基本的性能差距.本白皮书讨论了使用各种材料制作的晶体单元和谐振器的特性.
1.晶体单元和谐振器的比较
用于产生参考时钟的振荡器的晶体单元和谐振器有多种类型.例如,压电致动型使用反向压电现象,其中施加到压电晶体的电压产生机械应力.静电驱动型同时使用在高压下施加的静电.然而,在所有情况下,它们的性质在很大程度上取决于晶体(材料)的性质.爱普生提供各种基于石英晶体谐振器的电子产品,但正如前言中所述,晶体单元和谐振器可以由各种材料制成.它们的一般特征总结在表1中并在下面进一步解释.

表1：根据材料的晶体单元/谐振器性质的比较

晶体单元/谐振器材料	初始频率偏差	频率/温度系数	Q值
石英(水晶)	优秀	优秀	优秀
硅	较差的	较差的	好
陶瓷	一般	一般	一般
LC,CR	较差的	较差的	较差的

1-1.石英晶体单元
最后,由于石英晶体单元基于二氧化硅(SiO2)材料,由于其高结晶度和出色的阻抗特性,它们具有高Q值.此外,所使用的石英是各向异性晶体,并且根据其切割方式,产生具有接近室温的拐点的立方曲线和在宽温度范围内的稳定特性的温度特性.由于在制造过程中调整频率,因此初始频率偏差也非常小(大约几ppm).因此,这些晶体单元广泛用于需要高精度的应用,例如无线通信设备.当被视为独立谐振器时,晶体单元具有极高的精度.正如我们所看到的,在选择最适合应用的产品时,制造晶体单元和晶振的各种材料的特性值得仔细考虑.在下一节中,我们将解释使用硅谐振器(Si-MEMS振荡器)的振荡器和使用石英晶体单元的振荡器之间的差异.
1-2.硅谐振器
Si谐振器使用单晶硅,材料具有的Q值优于陶瓷,但比晶体更差.另外,当使用半导体制造工艺在晶片上批量处理时,Si谐振器可以廉价地制造并且尺寸非常小.然而,这种方便,高产量的生产使得难以对各个谐振器水平进行调节,并且制造过程中的变化直接反映在初始频率偏差中.因此,通过补偿电路在一定程度上补偿各个谐振器的频率精度.单晶硅的温度/频率特性(系数)表现出-20至-30ppm/℃的一阶线性,响应于温度变化的大量变化.当使用Si谐振器时,它们作为温度补偿的Si-MEMS振荡器提供,具有一定的精度.
1-3.陶瓷谐振器
陶瓷谐振器使用主要由PZT制成的压电元件,其在高温下硬化.它们提供比LC振荡器更高的精度,但它们也具有较大的初始频率偏差(约±0.5％).因此,它们广泛用于频率精度不重要的低频应用.陶瓷谐振器的温度特性可以通过改变陶瓷材料的成分来调节,使这些谐振器能够灵活地适应.另一方面,由于材料成分和制造变化的轻微误差会导致性能变化,因此极难确保再现性.
陶瓷谐振器最突出的特点是它们的快速上升时间.上升时间影响振荡电路的元件,但是,一般而言,更高的频率,更低的负载电容和更低的谐振器Q值倾向于导致更快的振荡.如表1所示,陶瓷谐振器的Q值低于石英和Si谐振器的Q值,因此陶瓷在上升时间方面具有优势.鉴于这些特性,陶瓷谐振器广泛应用于精度不是那么关键但主要是上升时间很重要的应用中.
1-4.LC和CR谐振器
LC谐振器电路由电感器(L)和电容器(C)组成.它们适用于需要相对较高频率和较宽频率调谐范围的应用.但是,它们既不准确也不稳定.另外,为了满足谐振条件,必须增加低频电感,并且它们不适合小型化,因为它们需要大的线圈.当需要小型化时,可以使用不使用电感器的CR谐振器.CR谐振器的缺点是很难从它们中挤出高频.
2.比较晶体单元和硅谐振器的温度特性
让我们更详细地考虑前面提到的温度/频率特性.石英和硅的温度特性如图1所示.石英晶体(此处为AT切割晶体单元)在宽温度范围内表现出稳定的特性,并具有接近室温的拐点.这些结果表明,即使没有调整,在温度急剧变化的情况下也能保持稳定的精度,因此石英晶体可以适应各种应用.

图1.Si-MEMS和晶体(AT)温度特性

相反,硅谐振器温度特性表现出-20至-30ppm/℃的一阶线性.当使用具有这些特性的谐振器构造振荡器时,必须补偿晶体的自然温度特性.由于晶体单元被单独调谐到所需频率,因此初始偏差也显示出ppm级的变化宽度.然而,在晶片上批量处理以实现最大产量的硅谐振器表现出初始偏差宽度的大的变化,除非它们被单独调谐,这是一个耗时的过程.由于上述原因,Si-MEMS谐振器被设计用作具有补偿电路的振荡器,并且可能具有比石英晶振更大的电路侧负载(功耗).因此,作为晶体单元和谐振器的特性存在显着差异.
3.晶体振荡器和Si-MEMS振荡器的特性
参考信号要求根据应用的不同而有很大差异,但一般而言,OSCillator的选择基于振荡的初始频率偏差,频率/温度稳定性以及噪声和抖动特性等参数.Si-MEMS振荡器利用外围电路补偿其硅谐振器的温度特性,以实现稳定性.用于补偿的外围电路称为’小数N分频PLL电路’(简称’Frac-NPLL’).Frac-NPLL是一种锁相环电路,它使用小数分频器产生输入频率的倍数输出频率.使用该方法改变硅谐振器的每个温度点处的分频器,以控制输出信号的振荡频率并执行温度补偿.使用此方法的温度补偿示例如图2所示.

图2.修正的温度特性

图2中以棕色显示的特性是Frac-NPLL应用温度补偿后的特性.
如前所述,硅晶晶振的温度特性呈现一阶线性,因此可以基于简单的补偿公式执行补偿本身,但是因为与晶体单元的温度特性相比变化量很大,所以温度补偿是不可能的.因此,使用的温度域被分成较小的区域,并且在改变每个区域中的分频器的同时应用诸如Frac-NPLL的数字电路的仔细补偿.然而,当切换分频比时,会发生如图2所示的不连续频率跳变.这导致输出信号的相位在振荡频率的不连续温度点处改变,导致噪声和抖动特性的劣化.当硅谐振器用于基于相位调制技术进行通信的无线设备时,在存在噪声的情况下不可能进行正确的调制/解调,从而可能妨碍数据的准确发送和接收.
即使没有温度补偿(频率调谐),基于晶体单元的振荡器也可以在很宽的温度范围内使用.此外,由于它们不使用PLL进行温度补偿(即使在PLL电路改变分频比的产品中也只使用固有振荡频率),晶体振荡器可以在一定范围内保持晶体的平滑原生温度特性.温度(频率没有不连续跳跃的状态).鉴于这种趋势,即使没有调整也能提供稳定特性的晶体单元的需求可能会进一步增加.当用户选择电子元件时,他们需要充分了解材料的特性,以便他们可以选择最适合其应用的元件.爱普生晶振公司将继续扩展和增强其可靠晶体器件阵容,以满足这些需求.
结果,不会降低噪声和抖动特性,并且无线设备中出现问题的可能性极低.当然,可以改变硅谐振器本身的设计(例如,控制尺寸或改变电极材料),单独应用温度补偿,并且仅将分频比改变为初始值,但这最终会削弱以下优点：Si-MEMS首先享有高吞吐量和低成本等优点.最后,近年来对通信设备行业对晶体单元和谐振器的需求不断增加.
海内外各大晶振厂家使用最多的材料,仍然是石英水晶和陶瓷,因为这两种的适用范围广泛,基本都能满足设计和技术方案要求,而且成本相对较低,方便大量生产.市面上的Crystal,OSC晶振,VCXO晶振,温补晶振,OCXO晶振等系列,几乎都是用石英和水晶材料制成的.

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