4種晶振材料特性對比
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年06月12
用來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,不同的材料生產的晶振,使用效果和性能也不一樣,因此應用的產品范圍也會有些差別.例如陶瓷晶振一般適合用于電話機,游戲機,醫療器械,汽車,消費電子或一些工業產品身上,石英和水晶一般所以產品都適用,硅晶主要是用來生產MEMS可編程晶振,應用于中高端領域.
各種各樣的電子設備需要參考信號.晶體器件是參考時鐘的一個來源,但絕不是唯一的一個.其他來源包括LC振蕩器,其由電感器(L)和電容器(C)組成,當連接以產生頻率時諧振.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,它們使用微機電系統(MEMS)技術.您選擇的振蕩器類型取決于應用.
陶瓷振蕩器通常用作微處理器時鐘信號和頻率精度非關鍵的其他低頻應用的源.陶瓷振蕩器頻率范圍在200kHz和100MHz之間.它們在室溫下的頻率偏差通常約為0.1％-0.5％.這些振蕩器具有價格優勢,但陶瓷振蕩器的折衷是響應溫度變化的大頻率波動,其中總頻率穩定性低(約±1.1％).貼片振蕩器主要用于需要高頻和高頻精度的應用,例如無線通信設備.近年來,基于硅的振蕩器(Si-MEMS振蕩器)已顯示出性能增益,但各種實現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
用于產生參考時鐘的振蕩器的晶體單元和諧振器有多種類型.例如,壓電致動型使用反向壓電現象,其中施加到壓電晶體的電壓產生機械應力.靜電驅動型同時使用在高壓下施加的靜電.然而,在所有情況下,它們的性質在很大程度上取決于晶體(材料)的性質.愛普生提供各種基于石英晶體諧振器的電子產品,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在表1中并在下面進一步解釋.
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,并且根據其切割方式,產生具有接近室溫的拐點的立方曲線和在寬溫度范圍內的穩定特性的溫度特性.由于在制造過程中調整頻率,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用,例如無線通信設備.當被視為獨立諧振器時,晶體單元具有極高的精度.正如我們所看到的,在選擇最適合應用的產品時,制造晶體單元和晶振的各種材料的特性值得仔細考慮.在下一節中,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值優于陶瓷,但比晶體更差.另外,當使用半導體制造工藝在晶片上批量處理時,Si諧振器可以廉價地制造并且尺寸非常小.然而,這種方便,高產量的生產使得難以對各個諧振器水平進行調節,并且制造過程中的變化直接反映在初始頻率偏差中.因此,通過補償電路在一定程度上補償各個諧振器的頻率精度.單晶硅的溫度/頻率特性(系數)表現出-20至-30ppm/℃的一階線性,響應于溫度變化的大量變化.當使用Si諧振器時,它們作為溫度補償的Si-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用.陶瓷諧振器的溫度特性可以通過改變陶瓷材料的成分來調節,使這些諧振器能夠靈活地適應.另一方面,由于材料成分和制造變化的輕微誤差會導致性能變化,因此極難確保再現性.
陶瓷諧振器最突出的特點是它們的快速上升時間.上升時間影響振蕩電路的元件,但是,一般而言,更高的頻率,更低的負載電容和更低的諧振器Q值傾向于導致更快的振蕩.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,因此陶瓷在上升時間方面具有優勢.鑒于這些特性,陶瓷諧振器廣泛應用于精度不是那么關鍵但主要是上升時間很重要的應用中.
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較高頻率和較寬頻率調諧范圍的應用.但是,它們既不準確也不穩定.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,因為它們需要大的線圈.當需要小型化時,可以使用不使用電感器的CR諧振器.CR諧振器的缺點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)在寬溫度范圍內表現出穩定的特性,并具有接近室溫的拐點.這些結果表明,即使沒有調整,在溫度急劇變化的情況下也能保持穩定的精度,因此石英晶體可以適應各種應用.
圖1.Si-MEMS和晶體(AT)溫度特性
相反,硅諧振器溫度特性表現出-20至-30ppm/℃的一階線性.當使用具有這些特性的諧振器構造振蕩器時,必須補償晶體的自然溫度特性.由于晶體單元被單獨調諧到所需頻率,因此初始偏差也顯示出ppm級的變化寬度.然而,在晶片上批量處理以實現最大產量的硅諧振器表現出初始偏差寬度的大的變化,除非它們被單獨調諧,這是一個耗時的過程.由于上述原因,Si-MEMS諧振器被設計用作具有補償電路的振蕩器,并且可能具有比石英晶振更大的電路側負載(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
參考信號要求根據應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/溫度穩定性以及噪聲和抖動特性等參數.Si-MEMS振蕩器利用外圍電路補償其硅諧振器的溫度特性,以實現穩定性.用于補償的外圍電路稱為’小數N分頻PLL電路’(簡稱’Frac-NPLL’).Frac-NPLL是一種鎖相環電路,它使用小數分頻器產生輸入頻率的倍數輸出頻率.使用該方法改變硅諧振器的每個溫度點處的分頻器,以控制輸出信號的振蕩頻率并執行溫度補償.使用此方法的溫度補償示例如圖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應用溫度補償后的特性.
如前所述,硅晶晶振的溫度特性呈現一階線性,因此可以基于簡單的補償公式執行補償本身,但是因為與晶體單元的溫度特性相比變化量很大,所以溫度補償是不可能的.因此,使用的溫度域被分成較小的區域,并且在改變每個區域中的分頻器的同時應用諸如Frac-NPLL的數字電路的仔細補償.然而,當切換分頻比時,會發生如圖2所示的不連續頻率跳變.這導致輸出信號的相位在振蕩頻率的不連續溫度點處改變,導致噪聲和抖動特性的劣化.當硅諧振器用于基于相位調制技術進行通信的無線設備時,在存在噪聲的情況下不可能進行正確的調制/解調,從而可能妨礙數據的準確發送和接收.
即使沒有溫度補償(頻率調諧),基于晶體單元的振蕩器也可以在很寬的溫度范圍內使用.此外,由于它們不使用PLL進行溫度補償(即使在PLL電路改變分頻比的產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保持晶體的平滑原生溫度特性.溫度(頻率沒有不連續跳躍的狀態).鑒于這種趨勢,即使沒有調整也能提供穩定特性的晶體單元的需求可能會進一步增加.當用戶選擇電子元件時,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用的元件.愛普生晶振公司將繼續擴展和增強其可靠晶體器件陣容,以滿足這些需求.
結果,不會降低噪聲和抖動特性,并且無線設備中出現問題的可能性極低.當然,可以改變硅諧振器本身的設計(例如,控制尺寸或改變電極材料),單獨應用溫度補償,并且僅將分頻比改變為初始值,但這最終會削弱以下優點：Si-MEMS首先享有高吞吐量和低成本等優點.最后,近年來對通信設備行業對晶體單元和諧振器的需求不斷增加.
海內外各大晶振廠家使用最多的材料,仍然是石英水晶和陶瓷,因為這兩種的適用范圍廣泛,基本都能滿足設計和技術方案要求,而且成本相對較低,方便大量生產.市面上的Crystal,OSC晶振,VCXO晶振,溫補晶振,OCXO晶振等系列,幾乎都是用石英和水晶材料制成的.
各種各樣的電子設備需要參考信號.晶體器件是參考時鐘的一個來源,但絕不是唯一的一個.其他來源包括LC振蕩器,其由電感器(L)和電容器(C)組成,當連接以產生頻率時諧振.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,它們使用微機電系統(MEMS)技術.您選擇的振蕩器類型取決于應用.
陶瓷振蕩器通常用作微處理器時鐘信號和頻率精度非關鍵的其他低頻應用的源.陶瓷振蕩器頻率范圍在200kHz和100MHz之間.它們在室溫下的頻率偏差通常約為0.1％-0.5％.這些振蕩器具有價格優勢,但陶瓷振蕩器的折衷是響應溫度變化的大頻率波動,其中總頻率穩定性低(約±1.1％).貼片振蕩器主要用于需要高頻和高頻精度的應用,例如無線通信設備.近年來,基于硅的振蕩器(Si-MEMS振蕩器)已顯示出性能增益,但各種實現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
用于產生參考時鐘的振蕩器的晶體單元和諧振器有多種類型.例如,壓電致動型使用反向壓電現象,其中施加到壓電晶體的電壓產生機械應力.靜電驅動型同時使用在高壓下施加的靜電.然而,在所有情況下,它們的性質在很大程度上取決于晶體(材料)的性質.愛普生提供各種基于石英晶體諧振器的電子產品,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在表1中并在下面進一步解釋.
表1：根據材料的晶體單元/諧振器性質的比較
| 晶體單元/諧振器材料 | 初始頻率偏差 | 頻率/溫度系數 | Q值 |
| 石英(水晶) | 優秀 | 優秀 | 優秀 |
| 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,并且根據其切割方式,產生具有接近室溫的拐點的立方曲線和在寬溫度范圍內的穩定特性的溫度特性.由于在制造過程中調整頻率,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用,例如無線通信設備.當被視為獨立諧振器時,晶體單元具有極高的精度.正如我們所看到的,在選擇最適合應用的產品時,制造晶體單元和晶振的各種材料的特性值得仔細考慮.在下一節中,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值優于陶瓷,但比晶體更差.另外,當使用半導體制造工藝在晶片上批量處理時,Si諧振器可以廉價地制造并且尺寸非常小.然而,這種方便,高產量的生產使得難以對各個諧振器水平進行調節,并且制造過程中的變化直接反映在初始頻率偏差中.因此,通過補償電路在一定程度上補償各個諧振器的頻率精度.單晶硅的溫度/頻率特性(系數)表現出-20至-30ppm/℃的一階線性,響應于溫度變化的大量變化.當使用Si諧振器時,它們作為溫度補償的Si-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用.陶瓷諧振器的溫度特性可以通過改變陶瓷材料的成分來調節,使這些諧振器能夠靈活地適應.另一方面,由于材料成分和制造變化的輕微誤差會導致性能變化,因此極難確保再現性.
陶瓷諧振器最突出的特點是它們的快速上升時間.上升時間影響振蕩電路的元件,但是,一般而言,更高的頻率,更低的負載電容和更低的諧振器Q值傾向于導致更快的振蕩.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,因此陶瓷在上升時間方面具有優勢.鑒于這些特性,陶瓷諧振器廣泛應用于精度不是那么關鍵但主要是上升時間很重要的應用中.
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較高頻率和較寬頻率調諧范圍的應用.但是,它們既不準確也不穩定.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,因為它們需要大的線圈.當需要小型化時,可以使用不使用電感器的CR諧振器.CR諧振器的缺點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)在寬溫度范圍內表現出穩定的特性,并具有接近室溫的拐點.這些結果表明,即使沒有調整,在溫度急劇變化的情況下也能保持穩定的精度,因此石英晶體可以適應各種應用.
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
參考信號要求根據應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/溫度穩定性以及噪聲和抖動特性等參數.Si-MEMS振蕩器利用外圍電路補償其硅諧振器的溫度特性,以實現穩定性.用于補償的外圍電路稱為’小數N分頻PLL電路’(簡稱’Frac-NPLL’).Frac-NPLL是一種鎖相環電路,它使用小數分頻器產生輸入頻率的倍數輸出頻率.使用該方法改變硅諧振器的每個溫度點處的分頻器,以控制輸出信號的振蕩頻率并執行溫度補償.使用此方法的溫度補償示例如圖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一階線性,因此可以基于簡單的補償公式執行補償本身,但是因為與晶體單元的溫度特性相比變化量很大,所以溫度補償是不可能的.因此,使用的溫度域被分成較小的區域,并且在改變每個區域中的分頻器的同時應用諸如Frac-NPLL的數字電路的仔細補償.然而,當切換分頻比時,會發生如圖2所示的不連續頻率跳變.這導致輸出信號的相位在振蕩頻率的不連續溫度點處改變,導致噪聲和抖動特性的劣化.當硅諧振器用于基于相位調制技術進行通信的無線設備時,在存在噪聲的情況下不可能進行正確的調制/解調,從而可能妨礙數據的準確發送和接收.
即使沒有溫度補償(頻率調諧),基于晶體單元的振蕩器也可以在很寬的溫度范圍內使用.此外,由于它們不使用PLL進行溫度補償(即使在PLL電路改變分頻比的產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保持晶體的平滑原生溫度特性.溫度(頻率沒有不連續跳躍的狀態).鑒于這種趨勢,即使沒有調整也能提供穩定特性的晶體單元的需求可能會進一步增加.當用戶選擇電子元件時,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用的元件.愛普生晶振公司將繼續擴展和增強其可靠晶體器件陣容,以滿足這些需求.
結果,不會降低噪聲和抖動特性,并且無線設備中出現問題的可能性極低.當然,可以改變硅諧振器本身的設計(例如,控制尺寸或改變電極材料),單獨應用溫度補償,并且僅將分頻比改變為初始值,但這最終會削弱以下優點：Si-MEMS首先享有高吞吐量和低成本等優點.最后,近年來對通信設備行業對晶體單元和諧振器的需求不斷增加.
海內外各大晶振廠家使用最多的材料,仍然是石英水晶和陶瓷,因為這兩種的適用范圍廣泛,基本都能滿足設計和技術方案要求,而且成本相對較低,方便大量生產.市面上的Crystal,OSC晶振,VCXO晶振,溫補晶振,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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