技术知识：硅频率控制器(SFC)-晶体替代市场的宠儿

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：

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。

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。

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。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))] 2eq eq *√[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) 2eq eq ]*[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

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。

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。

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