硅频率控制器（SFC） - 晶体替代市场的宠儿

作者：IDT 公司 赵磊

引言

晶体的主要组成部分是二氧化硅，俗称石英。石英具有非凡的机械和压电特性，使得从19世纪40年代中期以来一直作为基本的时钟器件。如今，只要需要时钟的地方，工程师首先想到的就是晶体，但是随着应用的不断深入，晶体的一些固有的缺陷也随之暴露出来。如今新技术不断涌现，并带来很大的变化。

晶体的特点及参数

封装

晶体的封装如图1所示，有三部分组成：金属上盖，带有电极的石英片和陶瓷底座。一般来说，还需要向密封壳内充氮气。


图1 晶体封装图

现在几乎所有的陶瓷密封装都是由三家日本公司提供，但是由于日本地震和海啸，产量严重受影响。今后很长一段时间将难以满足市场需求。

石英材料

石英以其固有的压电特性成为晶体中的主要部分。但是它必须经过切割打磨才能使用，由于其厚度非常薄，虽然采取了保护措施，但是其抗震性一直是大家所担心的。

精度

所谓精度就是实际的时钟频率偏离标准时钟频率的程度。用公式表示为：

Error (PPM) = (Factual-Ftarget) / Ftarget * 10E6

Error：精度
Factual：实际频率
Ftarget：标准频率
PPM：百万分之一

在晶体的应用中，有这几个方面需要考虑：

1）    频率公差：就是在通常的环境温度下（25°C+/-5°C）实际频率偏离标准频率的值。
2）    频率温度特征：就是在整个温度变化范围内，实际频率偏离标准频率的值。现在通常有三种温度范围：0°C--70°C，-20°C--70°C和-40°C--85°C。
3）    老化：晶体的内部特性随着时间的推移发生变化引起的频率的偏差，称为晶体的老化。一般来说，第一年晶体的精度受老化的影响为5PPM，以后每年大约为1-3PPM。如果一个产品的设计生命周期为10年，则老化带来的频率精度变化最高可达32PPM。
4）    负载电容精度变化引起频率的变化：这个因素往往容易被忽视。在晶体的应用中有两种工作模式，串行振荡模式和并行振荡模式。由于并行模式设计灵活并且有很高的输出精度，现在已成为市场主流。 图2是并行振荡模式的等效电路图：


图2 并行振荡模式等效电路图

R1：动态阻抗
C1：动态电容
L1：动态电感
C0：静态电容
CL：负载电容

并行振荡模式的频率可根据以下公式：

FL=[1/2π√（L1*C1））]*√[1+C1/（C0+CL）]

其中[1/2π√（L1*C1））]是晶体串行振荡模式的频率

根据泰勒展开：

FL=[1/2π√（L1*C1）]*[1+C1/2（C0+CL）]                            （1）

从公式中可以看出，频率与C0,C1和CL都有关。

在基频谐振中C1为10-30fF，一般取值为20fF。C0取值与晶体的尺寸有关，一般取值为5pF。但是CL的计算与晶体外接电容和PCB设计和材料有关。下图是参考电路图


图3 晶体外接负载电容示意图

从上面电路中可得出：

1/（C11+CS1）+1/（C12+CS2）=1/（CL）                               （2）

其中C11，C12是外接电容，也就是线路设计中放在晶体两边接地的两个电容。CS1和CS2是寄生电容，和PCB 电路板的走线，焊盘及芯片的管脚有关。一般为5-10pF（在本文的计算中可设为8pF）。对于C11和C12，没有确定的值（15pF-30pF），这和实际设计有关，例如取18pF。

CL如有变化，并行振荡模式的频率也随之变化，请看图4


图4 负载电容变化与频率的关系

由公式（1）可得频率变化为：

（FCL1-FCL2）/FCL1=C1/2 * [1/（C0+CL1）-1/（C0+CL2）] * 10E6     （3）

从公式（2）和公式（3）中可知C11和C12的精度将影响频率的精度。具体数据如表1所示。其中参数的取值如前文：C1=20fF，C0=5pF，CS1=CS2=8pF，C11=C12=18pF。

表1 电容精度与频率精度的关系
电容精度    CL1    CL2    影响频率精度（PPM）
0.50%    12.955     13.045     3
1%    12.910     13.090     6
5%    12.550     13.450     28
10%    12.100     13.900     56
20%    11.200     14.800     112

在很多应用场合，电容精度取5%，从上表可看出它对频率精度的影响可达到28PPM。这在设计中容易被忽略的。

5）    其他因素：如回流焊接的影响，湿度的影响，大气压的影响等。这些因素影响不大，不再这里详述。

晶体振荡总的频率精度就是上述五个方面之和。