明明白白选择晶振

　
Pericom采用高Q源低抖动的石英作为系统时钟。通过这种晶体与高性能低抖动PLL的结合，该公司提供一种扫频振荡器，它消耗能量最低，并结合了石英与硅的优点。

　　选择振荡器时的另一个考虑因素是功耗。新兴公司Mobius Microsystems提供一种纯硅振荡器，它提供接近石英的精度、快速起动，以及高的耐受冲击能力。不过，该公司的实现方式是使硅储能电容运行在高频下，然后作分频，于是功耗高于石英器件。不过，硅工艺与硅设计技术正在快速进步，因此硅振荡器的各种规格几乎都应很快得到改善。

　　Silicon Laboratories是另一家在硅技术上领先的公司，它同时制造纯硅振荡器，以及为石英晶体配合PLL的器件（参考文献6）。这些器件的精度适合于低端晶振。该公司时序产品营销总监Mike Petrowski称："无需使用机械式振荡器是最终梦想。如果消除了机械式振荡器，就可以提高可靠性、简化制造流程，并易于大批量生产。"Petrowski坚持认为硅振荡器不会消耗过多能量，因为他们采用温度补偿方法去获得精度，而不是对较高频率作分频的PLL。


注意硅振荡器可以有很多意义，例如它是一个可替代陶瓷谐振器的廉价器件，以及品质可与石英相媲美的器件。一定要对功耗作评估，以确保使用的技术适合于自己的应用。要注意一些细微之处，如石英晶体或MEMS振荡器会在上电起动的数毫秒内拉入更多电流。对于微功耗应用或需要不断起动和停机的应用，这种超额电流可能会产生问题。

　　除了精度和功耗以外，振荡器的另一个重要规格就是抖动，或相位噪声，它会随频率而逐周期地改变。例如，一款稳定器件可能在一个周期工作在1 MHz，而在下个周期工作在2 MHz，平均频率为1.5 MHz。然而，这种循环频率的巨大变化可能在多数应用中使器件无法使用；一个开关电源可能不会工作在这么宽的范围内，而一个PLL很难锁定这种高抖动的频率源。任何采用这种振荡器的系统都不可能包括ADC或DAC，因为频率的变化会毁掉数字处理，即使平均频率是稳定的。因此，很多公司的振荡器设计小组都在公司的模拟部门。PLL是一种模拟元件，很多规格（如抖动）对模拟电路都很重要。

　　尽管抖动与相位噪声分别是时域和频域表述，据Linear Technology公司信号调整产品设计部主任Doug LaPorte的说法，在相同条件下，很容易将抖动规格作出错误表述。他说，有些公司仅在某个频率范围上确定抖动的规格。这些公司提供的相位噪声图可能只包括特定数量的相位噪声，而忽略了噪声的其它位。SONET（同步光纤网络）这类光通信标准会传输，作PLL，然后再传输。循环有一个设计带宽，使系统拒绝循环外的相位噪声，而允许循环内的噪声。LaPorte指出："[这些制造商] 给出的规格为20 kHz到10 MHz。超出这个他们就不关心了。"

　　在五年以前，任何振荡器中PLL的存在都对设计的抖动性能有负面作用。Silicon Labs的Petrowski称，该公司过去担心老式PLL的不良名声。他说："当我们推出自己基于PLL的振荡器时，我们都担心会有一些负面意义。我们对这些器件作了大量研发工作，并申请了大量专利，做一个低抖动PLL是绝对有可能的，尤其是在更精细的IC尺度下。"

　　一款PLL的特性及其模拟滤波、相位检测和VCO（压控振荡器），在电路的各个点都引起更多抖动。过去五年来，设计者开始采用打线作为IC上的小型导体，替代IC片芯上分散的空间导体。现在，IC设计者可以用电感和电容作为电抗元件，滤波器与储能电路都可以有更高Q值，有更多的极性和零点。例如，Maxim Integrated Products公司在自己的设计中采用基于LC的振荡器，而不是环形振荡器。该公司精密振荡器业务经理Paul Nunn表示："环形振荡器要比LC型振荡器有更多的抖动。"很多公司采用这些高质量的PLL，因为他们可以使振荡器有可调频率和低抖动。这些公司包括Pericom、Silicon Labs、SiTime、安塞美半导体公司与Fox Electronics。

　　MEMS器件

　　MEMS振荡器也用于石英振荡器的放大器，也许还有PLL，但它采用的是振荡的小型硅质量，而不是石英晶体。这种方案有更好的MTBF（平均故障时间）、抗冲击性以及可靠性。例如，SiTime营销副总裁Piyush Sevalia说，对硅作JEDEC（联合电子器件工程委员会）与HTOL（高温工作寿命）测试，可得到5亿小时MTBF，而石英只有1000万至3000万小时，并且，尽管1 kHz振动在石英振荡器的抖动特性中很容易表现出来，但MEMS和硅振荡器都对这种振动不敏感。MEMS器件谐振在一个基频上，这种模式下意外振动不会调制。但是，MEMS和石英振荡器的起动速度慢于纯硅振荡器。

　　制造MEMS振荡器的一个挑战是保持振荡硅元件的原子级洁净。即使振荡臂上有一个原子厚的层，也会造成器件规格失效，制造商用各种方法来克服这一挑战。例如，Discera使用"getter"活性吸气材料，去除在器件生命周期中吸收的任何气体或材料痕迹。另一方面，SiTime则采用了Bosch公司率先开发的一种技术（参考文献4）。

　SiTime并未在MEMS元件上覆盖玻璃或环氧罩，而是在一个玻璃模型中建立起硅臂，用多晶硅覆盖模型，再用氢氟酸将玻璃溶解。然后，该公司用一层更厚的多晶硅将臂密封起来。所有工作都在一个外延反应堆中完成，这个高度真空的半导体装置有地球上最洁净的环境。这种特殊工艺使SiTime能够提供品质与石英振荡器相匹敌的产品。该公司的产品将一种MEMS谐振器片芯和一个CMOS片芯整合在一个封装内，比石英振荡器更小也更薄（图5）。

　Discera和SiTime两家公司的振荡器都是全可编程产品，因为它们集成了PLL。Discera还提供一种不到500美元的工具包，包括一个手持编程器和200个器件；编程器连接到计算机的USB端口。Discera公司销售与营销副总裁Gerry Beemiller称，用这个工具包可以建立起1MHz至150MHz频率的高精度振荡器。反之，SiTime则在推销快速周转概念，而不是现场编程能力。由于它采用的是无石英工艺，因此声称它可以在数天内提供工作于任意频率的器件。

　　在数据采集数字系统中，精确无误的时间永远是关键。如果性能略微不良的陶瓷谐振器时基或低性能的硅振荡器不能满足你的需求，那么可以从整个石英技术系列产品中选择一款器件。为Silicon Labs公司的高性能硅振荡器和SiTime与Discera的MEMS振荡器增加了这些选择后，你会看到振荡器的选择非常关键。要了解所有的权衡因素，包括精度、功耗、抖动和可编程能力，以及任何扩频需求。要记住，如果你未能通过FCC测试，为电源或系统时钟选择一种扩频振荡器总是可取的方法。这种情况总是出现在最糟不过的时候：正当你准备好交付产品时，拥有一款可替代固定振荡器的高级品总是一个很好的保险措施。经过对所有这些因素的权衡，并明白它们如何与应用需求相匹配，选择振荡器就应成为一种明明白白的工作。