4種晶振材料特性對(duì)比
來(lái)源：http://m.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年06月12
用來(lái)制造晶體晶振的材料至少有4,5種,除了比較熟悉的石英,水晶和陶瓷之外,還有Si硅,LC/RC這幾種,不同的材料生產(chǎn)的晶振,使用效果和性能也不一樣,因此應(yīng)用的產(chǎn)品范圍也會(huì)有些差別.例如陶瓷晶振一般適合用于電話機(jī),游戲機(jī),醫(yī)療器械,汽車,消費(fèi)電子或一些工業(yè)產(chǎn)品身上,石英和水晶一般所以產(chǎn)品都適用,硅晶主要是用來(lái)生產(chǎn)MEMS可編程晶振,應(yīng)用于中高端領(lǐng)域.
各種各樣的電子設(shè)備需要參考信號(hào).晶體器件是參考時(shí)鐘的一個(gè)來(lái)源,但絕不是唯一的一個(gè).其他來(lái)源包括LC振蕩器,其由電感器(L)和電容器(C)組成,當(dāng)連接以產(chǎn)生頻率時(shí)諧振.CR振蕩器用于充電/放電電路,包括電容器(C)和電阻器(R)以產(chǎn)生參考頻率,陶瓷振蕩器使用主要由鋯鈦酸鉛(PZT)組成的壓電陶瓷;和基于硅的振蕩器,它們使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù).您選擇的振蕩器類型取決于應(yīng)用.
陶瓷振蕩器通常用作微處理器時(shí)鐘信號(hào)和頻率精度非關(guān)鍵的其他低頻應(yīng)用的源.陶瓷振蕩器頻率范圍在200kHz和100MHz之間.它們?cè)谑覝叵碌念l率偏差通常約為0.1％-0.5％.這些振蕩器具有價(jià)格優(yōu)勢(shì),但陶瓷振蕩器的折衷是響應(yīng)溫度變化的大頻率波動(dòng),其中總頻率穩(wěn)定性低(約±1.1％).貼片振蕩器主要用于需要高頻和高頻精度的應(yīng)用,例如無(wú)線通信設(shè)備.近年來(lái),基于硅的振蕩器(Si-MEMS振蕩器)已顯示出性能增益,但各種實(shí)現(xiàn)之間仍存在基本的性能差距.本白皮書討論了使用各種材料制作的晶體單元和諧振器的特性.
1.晶體單元和諧振器的比較
用于產(chǎn)生參考時(shí)鐘的振蕩器的晶體單元和諧振器有多種類型.例如,壓電致動(dòng)型使用反向壓電現(xiàn)象,其中施加到壓電晶體的電壓產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力.靜電驅(qū)動(dòng)型同時(shí)使用在高壓下施加的靜電.然而,在所有情況下,它們的性質(zhì)在很大程度上取決于晶體(材料)的性質(zhì).愛(ài)普生提供各種基于石英晶體諧振器的電子產(chǎn)品,但正如前言中所述,晶體單元和諧振器可以由各種材料制成.它們的一般特征總結(jié)在表1中并在下面進(jìn)一步解釋.
1-1.石英晶體單元
最后,由于石英晶體單元基于二氧化硅(SiO2)材料,由于其高結(jié)晶度和出色的阻抗特性,它們具有高Q值.此外,所使用的石英是各向異性晶體,并且根據(jù)其切割方式,產(chǎn)生具有接近室溫的拐點(diǎn)的立方曲線和在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定特性的溫度特性.由于在制造過(guò)程中調(diào)整頻率,因此初始頻率偏差也非常小(大約幾ppm).因此,這些晶體單元廣泛用于需要高精度的應(yīng)用,例如無(wú)線通信設(shè)備.當(dāng)被視為獨(dú)立諧振器時(shí),晶體單元具有極高的精度.正如我們所看到的,在選擇最適合應(yīng)用的產(chǎn)品時(shí),制造晶體單元和晶振的各種材料的特性值得仔細(xì)考慮.在下一節(jié)中,我們將解釋使用硅諧振器(Si-MEMS振蕩器)的振蕩器和使用石英晶體單元的振蕩器之間的差異.
1-2.硅諧振器
Si諧振器使用單晶硅,材料具有的Q值優(yōu)于陶瓷,但比晶體更差.另外,當(dāng)使用半導(dǎo)體制造工藝在晶片上批量處理時(shí),Si諧振器可以廉價(jià)地制造并且尺寸非常小.然而,這種方便,高產(chǎn)量的生產(chǎn)使得難以對(duì)各個(gè)諧振器水平進(jìn)行調(diào)節(jié),并且制造過(guò)程中的變化直接反映在初始頻率偏差中.因此,通過(guò)補(bǔ)償電路在一定程度上補(bǔ)償各個(gè)諧振器的頻率精度.單晶硅的溫度/頻率特性(系數(shù))表現(xiàn)出-20至-30ppm/℃的一階線性,響應(yīng)于溫度變化的大量變化.當(dāng)使用Si諧振器時(shí),它們作為溫度補(bǔ)償?shù)腟i-MEMS振蕩器提供,具有一定的精度.
1-3.陶瓷諧振器
陶瓷諧振器使用主要由PZT制成的壓電元件,其在高溫下硬化.它們提供比LC振蕩器更高的精度,但它們也具有較大的初始頻率偏差(約±0.5％).因此,它們廣泛用于頻率精度不重要的低頻應(yīng)用.陶瓷諧振器的溫度特性可以通過(guò)改變陶瓷材料的成分來(lái)調(diào)節(jié),使這些諧振器能夠靈活地適應(yīng).另一方面,由于材料成分和制造變化的輕微誤差會(huì)導(dǎo)致性能變化,因此極難確保再現(xiàn)性.
陶瓷諧振器最突出的特點(diǎn)是它們的快速上升時(shí)間.上升時(shí)間影響振蕩電路的元件,但是,一般而言,更高的頻率,更低的負(fù)載電容和更低的諧振器Q值傾向于導(dǎo)致更快的振蕩.如表1所示,陶瓷諧振器的Q值低于石英和Si諧振器的Q值,因此陶瓷在上升時(shí)間方面具有優(yōu)勢(shì).鑒于這些特性,陶瓷諧振器廣泛應(yīng)用于精度不是那么關(guān)鍵但主要是上升時(shí)間很重要的應(yīng)用中.
1-4.LC和CR諧振器
LC諧振器電路由電感器(L)和電容器(C)組成.它們適用于需要相對(duì)較高頻率和較寬頻率調(diào)諧范圍的應(yīng)用.但是,它們既不準(zhǔn)確也不穩(wěn)定.另外,為了滿足諧振條件,必須增加低頻電感,并且它們不適合小型化,因?yàn)樗鼈冃枰蟮木€圈.當(dāng)需要小型化時(shí),可以使用不使用電感器的CR諧振器.CR諧振器的缺點(diǎn)是很難從它們中擠出高頻.
2.比較晶體單元和硅諧振器的溫度特性
讓我們更詳細(xì)地考慮前面提到的溫度/頻率特性.石英和硅的溫度特性如圖1所示.石英晶體(此處為AT切割晶體單元)在寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的特性,并具有接近室溫的拐點(diǎn).這些結(jié)果表明,即使沒(méi)有調(diào)整,在溫度急劇變化的情況下也能保持穩(wěn)定的精度,因此石英晶體可以適應(yīng)各種應(yīng)用.
圖1.Si-MEMS和晶體(AT)溫度特性
相反,硅諧振器溫度特性表現(xiàn)出-20至-30ppm/℃的一階線性.當(dāng)使用具有這些特性的諧振器構(gòu)造振蕩器時(shí),必須補(bǔ)償晶體的自然溫度特性.由于晶體單元被單獨(dú)調(diào)諧到所需頻率,因此初始偏差也顯示出ppm級(jí)的變化寬度.然而,在晶片上批量處理以實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)量的硅諧振器表現(xiàn)出初始偏差寬度的大的變化,除非它們被單獨(dú)調(diào)諧,這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程.由于上述原因,Si-MEMS諧振器被設(shè)計(jì)用作具有補(bǔ)償電路的振蕩器,并且可能具有比石英晶振更大的電路側(cè)負(fù)載(功耗).因此,作為晶體單元和諧振器的特性存在顯著差異.
3.晶體振蕩器和Si-MEMS振蕩器的特性
參考信號(hào)要求根據(jù)應(yīng)用的不同而有很大差異,但一般而言,OSCillator的選擇基于振蕩的初始頻率偏差,頻率/溫度穩(wěn)定性以及噪聲和抖動(dòng)特性等參數(shù).Si-MEMS振蕩器利用外圍電路補(bǔ)償其硅諧振器的溫度特性,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性.用于補(bǔ)償?shù)耐鈬娐贩Q為’小數(shù)N分頻PLL電路’(簡(jiǎn)稱’Frac-NPLL’).Frac-NPLL是一種鎖相環(huán)電路,它使用小數(shù)分頻器產(chǎn)生輸入頻率的倍數(shù)輸出頻率.使用該方法改變硅諧振器的每個(gè)溫度點(diǎn)處的分頻器,以控制輸出信號(hào)的振蕩頻率并執(zhí)行溫度補(bǔ)償.使用此方法的溫度補(bǔ)償示例如圖2所示.
圖2.修正的溫度特性
圖2中以棕色顯示的特性是Frac-NPLL應(yīng)用溫度補(bǔ)償后的特性.
如前所述,硅晶晶振的溫度特性呈現(xiàn)一階線性,因此可以基于簡(jiǎn)單的補(bǔ)償公式執(zhí)行補(bǔ)償本身,但是因?yàn)榕c晶體單元的溫度特性相比變化量很大,所以溫度補(bǔ)償是不可能的.因此,使用的溫度域被分成較小的區(qū)域,并且在改變每個(gè)區(qū)域中的分頻器的同時(shí)應(yīng)用諸如Frac-NPLL的數(shù)字電路的仔細(xì)補(bǔ)償.然而,當(dāng)切換分頻比時(shí),會(huì)發(fā)生如圖2所示的不連續(xù)頻率跳變.這導(dǎo)致輸出信號(hào)的相位在振蕩頻率的不連續(xù)溫度點(diǎn)處改變,導(dǎo)致噪聲和抖動(dòng)特性的劣化.當(dāng)硅諧振器用于基于相位調(diào)制技術(shù)進(jìn)行通信的無(wú)線設(shè)備時(shí),在存在噪聲的情況下不可能進(jìn)行正確的調(diào)制/解調(diào),從而可能妨礙數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確發(fā)送和接收.
即使沒(méi)有溫度補(bǔ)償(頻率調(diào)諧),基于晶體單元的振蕩器也可以在很寬的溫度范圍內(nèi)使用.此外,由于它們不使用PLL進(jìn)行溫度補(bǔ)償(即使在PLL電路改變分頻比的產(chǎn)品中也只使用固有振蕩頻率),晶體振蕩器可以在一定范圍內(nèi)保持晶體的平滑原生溫度特性.溫度(頻率沒(méi)有不連續(xù)跳躍的狀態(tài)).鑒于這種趨勢(shì),即使沒(méi)有調(diào)整也能提供穩(wěn)定特性的晶體單元的需求可能會(huì)進(jìn)一步增加.當(dāng)用戶選擇電子元件時(shí),他們需要充分了解材料的特性,以便他們可以選擇最適合其應(yīng)用的元件.愛(ài)普生晶振公司將繼續(xù)擴(kuò)展和增強(qiáng)其可靠晶體器件陣容,以滿足這些需求.
結(jié)果,不會(huì)降低噪聲和抖動(dòng)特性,并且無(wú)線設(shè)備中出現(xiàn)問(wèn)題的可能性極低.當(dāng)然,可以改變硅諧振器本身的設(shè)計(jì)(例如,控制尺寸或改變電極材料),單獨(dú)應(yīng)用溫度補(bǔ)償,并且僅將分頻比改變?yōu)槌跏贾?但這最終會(huì)削弱以下優(yōu)點(diǎn)：Si-MEMS首先享有高吞吐量和低成本等優(yōu)點(diǎn).最后,近年來(lái)對(duì)通信設(shè)備行業(yè)對(duì)晶體單元和諧振器的需求不斷增加.
海內(nèi)外各大晶振廠家使用最多的材料,仍然是石英水晶和陶瓷,因?yàn)檫@兩種的適用范圍廣泛,基本都能滿足設(shè)計(jì)和技術(shù)方案要求,而且成本相對(duì)較低,方便大量生產(chǎn).市面上的Crystal,OSC晶振,VCXO晶振,溫補(bǔ)晶振,OCXO晶振等系列,幾乎都是用石英和水晶材料制成的.
各種各樣的電子設(shè)備需要參考信號(hào).晶體器件是參考時(shí)鐘的一個(gè)來(lái)源,但絕不是唯一的一個(gè).其他來(lái)源包括LC振蕩器,其由電感器(L)和電容器(C)組成,當(dāng)連接以產(chǎn)生頻率時(shí)諧振.CR振蕩器用于充電/放電電路,包括電容器(C)和電阻器(R)以產(chǎn)生參考頻率,陶瓷振蕩器使用主要由鋯鈦酸鉛(PZT)組成的壓電陶瓷;和基于硅的振蕩器,它們使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù).您選擇的振蕩器類型取決于應(yīng)用.
陶瓷振蕩器通常用作微處理器時(shí)鐘信號(hào)和頻率精度非關(guān)鍵的其他低頻應(yīng)用的源.陶瓷振蕩器頻率范圍在200kHz和100MHz之間.它們?cè)谑覝叵碌念l率偏差通常約為0.1％-0.5％.這些振蕩器具有價(jià)格優(yōu)勢(shì),但陶瓷振蕩器的折衷是響應(yīng)溫度變化的大頻率波動(dòng),其中總頻率穩(wěn)定性低(約±1.1％).貼片振蕩器主要用于需要高頻和高頻精度的應(yīng)用,例如無(wú)線通信設(shè)備.近年來(lái),基于硅的振蕩器(Si-MEMS振蕩器)已顯示出性能增益,但各種實(shí)現(xiàn)之間仍存在基本的性能差距.本白皮書討論了使用各種材料制作的晶體單元和諧振器的特性.
1.晶體單元和諧振器的比較
用于產(chǎn)生參考時(shí)鐘的振蕩器的晶體單元和諧振器有多種類型.例如,壓電致動(dòng)型使用反向壓電現(xiàn)象,其中施加到壓電晶體的電壓產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力.靜電驅(qū)動(dòng)型同時(shí)使用在高壓下施加的靜電.然而,在所有情況下,它們的性質(zhì)在很大程度上取決于晶體(材料)的性質(zhì).愛(ài)普生提供各種基于石英晶體諧振器的電子產(chǎn)品,但正如前言中所述,晶體單元和諧振器可以由各種材料制成.它們的一般特征總結(jié)在表1中并在下面進(jìn)一步解釋.
表1：根據(jù)材料的晶體單元/諧振器性質(zhì)的比較
| 晶體單元/諧振器材料 | 初始頻率偏差 | 頻率/溫度系數(shù) | Q值 |
| 石英(水晶) | 優(yōu)秀 | 優(yōu)秀 | 優(yōu)秀 |
| 硅 | 較差的 | 較差的 | 好 |
| 陶瓷 | 一般 | 一般 | 一般 |
| LC,CR | 較差的 | 較差的 | 較差的 |
最后,由于石英晶體單元基于二氧化硅(SiO2)材料,由于其高結(jié)晶度和出色的阻抗特性,它們具有高Q值.此外,所使用的石英是各向異性晶體,并且根據(jù)其切割方式,產(chǎn)生具有接近室溫的拐點(diǎn)的立方曲線和在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定特性的溫度特性.由于在制造過(guò)程中調(diào)整頻率,因此初始頻率偏差也非常小(大約幾ppm).因此,這些晶體單元廣泛用于需要高精度的應(yīng)用,例如無(wú)線通信設(shè)備.當(dāng)被視為獨(dú)立諧振器時(shí),晶體單元具有極高的精度.正如我們所看到的,在選擇最適合應(yīng)用的產(chǎn)品時(shí),制造晶體單元和晶振的各種材料的特性值得仔細(xì)考慮.在下一節(jié)中,我們將解釋使用硅諧振器(Si-MEMS振蕩器)的振蕩器和使用石英晶體單元的振蕩器之間的差異.
1-2.硅諧振器
Si諧振器使用單晶硅,材料具有的Q值優(yōu)于陶瓷,但比晶體更差.另外,當(dāng)使用半導(dǎo)體制造工藝在晶片上批量處理時(shí),Si諧振器可以廉價(jià)地制造并且尺寸非常小.然而,這種方便,高產(chǎn)量的生產(chǎn)使得難以對(duì)各個(gè)諧振器水平進(jìn)行調(diào)節(jié),并且制造過(guò)程中的變化直接反映在初始頻率偏差中.因此,通過(guò)補(bǔ)償電路在一定程度上補(bǔ)償各個(gè)諧振器的頻率精度.單晶硅的溫度/頻率特性(系數(shù))表現(xiàn)出-20至-30ppm/℃的一階線性,響應(yīng)于溫度變化的大量變化.當(dāng)使用Si諧振器時(shí),它們作為溫度補(bǔ)償?shù)腟i-MEMS振蕩器提供,具有一定的精度.
1-3.陶瓷諧振器
陶瓷諧振器使用主要由PZT制成的壓電元件,其在高溫下硬化.它們提供比LC振蕩器更高的精度,但它們也具有較大的初始頻率偏差(約±0.5％).因此,它們廣泛用于頻率精度不重要的低頻應(yīng)用.陶瓷諧振器的溫度特性可以通過(guò)改變陶瓷材料的成分來(lái)調(diào)節(jié),使這些諧振器能夠靈活地適應(yīng).另一方面,由于材料成分和制造變化的輕微誤差會(huì)導(dǎo)致性能變化,因此極難確保再現(xiàn)性.
陶瓷諧振器最突出的特點(diǎn)是它們的快速上升時(shí)間.上升時(shí)間影響振蕩電路的元件,但是,一般而言,更高的頻率,更低的負(fù)載電容和更低的諧振器Q值傾向于導(dǎo)致更快的振蕩.如表1所示,陶瓷諧振器的Q值低于石英和Si諧振器的Q值,因此陶瓷在上升時(shí)間方面具有優(yōu)勢(shì).鑒于這些特性,陶瓷諧振器廣泛應(yīng)用于精度不是那么關(guān)鍵但主要是上升時(shí)間很重要的應(yīng)用中.
1-4.LC和CR諧振器
LC諧振器電路由電感器(L)和電容器(C)組成.它們適用于需要相對(duì)較高頻率和較寬頻率調(diào)諧范圍的應(yīng)用.但是,它們既不準(zhǔn)確也不穩(wěn)定.另外,為了滿足諧振條件,必須增加低頻電感,并且它們不適合小型化,因?yàn)樗鼈冃枰蟮木€圈.當(dāng)需要小型化時(shí),可以使用不使用電感器的CR諧振器.CR諧振器的缺點(diǎn)是很難從它們中擠出高頻.
2.比較晶體單元和硅諧振器的溫度特性
讓我們更詳細(xì)地考慮前面提到的溫度/頻率特性.石英和硅的溫度特性如圖1所示.石英晶體(此處為AT切割晶體單元)在寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的特性,并具有接近室溫的拐點(diǎn).這些結(jié)果表明,即使沒(méi)有調(diào)整,在溫度急劇變化的情況下也能保持穩(wěn)定的精度,因此石英晶體可以適應(yīng)各種應(yīng)用.
圖1.Si-MEMS和晶體(AT)溫度特性
3.晶體振蕩器和Si-MEMS振蕩器的特性
參考信號(hào)要求根據(jù)應(yīng)用的不同而有很大差異,但一般而言,OSCillator的選擇基于振蕩的初始頻率偏差,頻率/溫度穩(wěn)定性以及噪聲和抖動(dòng)特性等參數(shù).Si-MEMS振蕩器利用外圍電路補(bǔ)償其硅諧振器的溫度特性,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性.用于補(bǔ)償?shù)耐鈬娐贩Q為’小數(shù)N分頻PLL電路’(簡(jiǎn)稱’Frac-NPLL’).Frac-NPLL是一種鎖相環(huán)電路,它使用小數(shù)分頻器產(chǎn)生輸入頻率的倍數(shù)輸出頻率.使用該方法改變硅諧振器的每個(gè)溫度點(diǎn)處的分頻器,以控制輸出信號(hào)的振蕩頻率并執(zhí)行溫度補(bǔ)償.使用此方法的溫度補(bǔ)償示例如圖2所示.
圖2.修正的溫度特性
如前所述,硅晶晶振的溫度特性呈現(xiàn)一階線性,因此可以基于簡(jiǎn)單的補(bǔ)償公式執(zhí)行補(bǔ)償本身,但是因?yàn)榕c晶體單元的溫度特性相比變化量很大,所以溫度補(bǔ)償是不可能的.因此,使用的溫度域被分成較小的區(qū)域,并且在改變每個(gè)區(qū)域中的分頻器的同時(shí)應(yīng)用諸如Frac-NPLL的數(shù)字電路的仔細(xì)補(bǔ)償.然而,當(dāng)切換分頻比時(shí),會(huì)發(fā)生如圖2所示的不連續(xù)頻率跳變.這導(dǎo)致輸出信號(hào)的相位在振蕩頻率的不連續(xù)溫度點(diǎn)處改變,導(dǎo)致噪聲和抖動(dòng)特性的劣化.當(dāng)硅諧振器用于基于相位調(diào)制技術(shù)進(jìn)行通信的無(wú)線設(shè)備時(shí),在存在噪聲的情況下不可能進(jìn)行正確的調(diào)制/解調(diào),從而可能妨礙數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確發(fā)送和接收.
即使沒(méi)有溫度補(bǔ)償(頻率調(diào)諧),基于晶體單元的振蕩器也可以在很寬的溫度范圍內(nèi)使用.此外,由于它們不使用PLL進(jìn)行溫度補(bǔ)償(即使在PLL電路改變分頻比的產(chǎn)品中也只使用固有振蕩頻率),晶體振蕩器可以在一定范圍內(nèi)保持晶體的平滑原生溫度特性.溫度(頻率沒(méi)有不連續(xù)跳躍的狀態(tài)).鑒于這種趨勢(shì),即使沒(méi)有調(diào)整也能提供穩(wěn)定特性的晶體單元的需求可能會(huì)進(jìn)一步增加.當(dāng)用戶選擇電子元件時(shí),他們需要充分了解材料的特性,以便他們可以選擇最適合其應(yīng)用的元件.愛(ài)普生晶振公司將繼續(xù)擴(kuò)展和增強(qiáng)其可靠晶體器件陣容,以滿足這些需求.
結(jié)果,不會(huì)降低噪聲和抖動(dòng)特性,并且無(wú)線設(shè)備中出現(xiàn)問(wèn)題的可能性極低.當(dāng)然,可以改變硅諧振器本身的設(shè)計(jì)(例如,控制尺寸或改變電極材料),單獨(dú)應(yīng)用溫度補(bǔ)償,并且僅將分頻比改變?yōu)槌跏贾?但這最終會(huì)削弱以下優(yōu)點(diǎn)：Si-MEMS首先享有高吞吐量和低成本等優(yōu)點(diǎn).最后,近年來(lái)對(duì)通信設(shè)備行業(yè)對(duì)晶體單元和諧振器的需求不斷增加.
海內(nèi)外各大晶振廠家使用最多的材料,仍然是石英水晶和陶瓷,因?yàn)檫@兩種的適用范圍廣泛,基本都能滿足設(shè)計(jì)和技術(shù)方案要求,而且成本相對(duì)較低,方便大量生產(chǎn).市面上的Crystal,OSC晶振,VCXO晶振,溫補(bǔ)晶振,OCXO晶振等系列,幾乎都是用石英和水晶材料制成的.
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