硅频率控制器（SFC） - 晶体替代市场的宠儿

硅频率控制器(SFC)

SFC原理

由于石英材料及其振荡原理的局限性，近年来，人们不断探索用新技术来替代它。如MEMS技术，但是它的中心振荡频率不是很高（如16MHz）所以如果需要高的频率输出，必须经过一级PLL， 增加了成本，相位噪音和功耗。

IDT在这一领域做了深入的研究，采用专利的CMOS谐波振荡器（CHO），推出了全硅频率控制器。它的核心是一个高频的振荡模块，根据设置不同的分频系数可得到不同的输出频率。这样，既不需要石英做为振荡源，也不需要PLL做倍频。

SFC工作状态需要电源而晶体不需要。但是，由于ASIC必须提供晶体起振电路，所以晶体也相应地增加了ASIC的能耗。

硅频率控制器(SFC)的参数

精度

硅频率控制器的频率公差在50PPM。-20-70°C频率温度特征是50PPM。硅频率控制器不使用石英，所以没有老化方面的问题。精度只需考虑两个方面即可。可参照以下表2中的例子。晶体精度的取值请参照前文的计算。

表2 两类产品的比较

晶体        SFC
频率公差     50ppm         50ppm
温度特征    50ppm         50ppm
老化    32ppm/10yr         
负载电容变化 +/-5%    28ppm         
其它            
总共    160ppm         100ppm

从这个例子可以看出，虽然都是50PPM的频率公差和温度特征，计算出晶体的精度可达160PPM。而硅频率控制器的精度是100PPM。

最简单的设计

硅频率控制器不需要任何辅助器件即可工作。晶体必须外挂两颗电容才能正常工作，这不但节约了成本，还节约了宝贵的空间，这符合产品小型化发展的趋势。

超低供电电流

在工作状况下，供电电流是1.9mA。静态工作电流更是只有1uA。其它基于晶体和MEMS的产品是它的4-10倍。这对于手持设备更是一个福音。因为对于相同的电池容量，低电流意味着更长的使用时间，这越来越受到产品制造商的重视。

快速启动时间

标准启动时间是400uS。而晶体的启动时间有时竞达到10mS。更快的启动时间可以使产品从上电或待机状态迅速进入正常工作状态。这也增强了产品的竞争力，在市场上占有利的地位。

宽频率输出范围

不需要PLL，硅频率控制器可输出4-50MHz。对于通用的频率，如10M，14.31818M，19.44M，20M，25M，33M，33.3333M，40M，48M，50M等等可以直接订购，对于不通用或者特殊频率，可通过工厂设置输出分频系数得到。

更高的工作可靠性

现在时尚的产品总是被人们喜欢随身携带，如掉在地上，被硬物碰到等小意外发生是不可避免的。这往往会造成晶体停振而使产品失效。硅频率控制器由于没有采用晶体，所以不会受到振动和挤压的影响。这对于产品的长期稳定性工作是非常重要的。而这也是设备制造商越来越喜欢它的原因之一。另外，硅频率控制器没有高阻抗的输入管脚，这样更利于通过EMI的测试。

更好的抖动指标

下例是在SATA GEN2连接性能测试结果。从中可以看出硅频率控制器的抖动小于晶体的抖动。


图5 晶体抖动指标实测图


图6 硅频率控制器SFC的抖动指标实测图

塑壳封装

硅频率控制器的封装采用成本更低的塑壳即可。而晶体必须采用陶瓷密封装。所以硅频率控制器的成本可以更低。并且塑壳封装的资源非常丰富，不受到厂家供货周期和数量的限制。

硅频率控制器的尺寸通常是2.5*2*0.55mm。并会有更小的尺寸推出。众所周知，小封装的晶体会大幅度增加成本。但这对于硅频率控制器是非常容易实现的并可能是更少的价格。

更快的供货周期

如前文所述，硅频率控制器的核心是稳定的高速振荡模块。工厂可预先生产，然后根据客户的需求来配置输出频率，这样可大大缩短产品供货周期。

SFC 晶源

硅频率控制器是一种CMOS技术，和ASIC是同一种工艺，所以ASIC很容易将硅频率发生器的晶源集成进去。如果是石英，因为是不同的工艺，所以会带来很多工艺和可靠性方面的问题。

硅频率控制器产品应用

硅频率控制器的外观如图7


图7 硅频率控制器的外观图

硅频率控制器的管脚分布以2.5*2*0.55mm 为例，如图8所示


图8, 硅频率控制器的管脚分布图(2.5*2*0.55mm)

作者信息:
赵磊：IDT　FAE  
邮箱： David.Zhao@IDT.com