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硅频率控制器(SFC) - 晶体替代市场的宠儿

时间:08-22 来源:互联网 点击:
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。

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