首頁(yè)常見(jiàn)問(wèn)題 MEMS硅晶振比陶瓷和石英多了哪些優(yōu)勢(shì)?
MEMS硅晶振比陶瓷和石英多了哪些優(yōu)勢(shì)?
來(lái)源：http://www.cbjur26.cn 作者：康華爾電子 2019年08月27
如果晶振要按材質(zhì)來(lái)分類,市場(chǎng)上常見(jiàn)的有石英晶振,陶瓷晶振和MEMS硅晶振等,它們的原材料分別是石英/水晶,陶瓷和硅晶.不同的原料制造出來(lái)的晶體晶振除了外觀上不一樣,其性能和特性也有很大的區(qū)別,陶瓷晶體和振蕩子的精準(zhǔn)度和性能是比較低的,用石英和水晶生產(chǎn)的石英晶體和晶體振蕩器,是所有類型中應(yīng)用最多,在市面上處于主導(dǎo)地位.但近年來(lái)硅晶振也有了明顯上升的趨勢(shì),甚至行業(yè)里有部分人士認(rèn)為,MEMS硅晶振將會(huì)超越石英和陶瓷,那么MEMS振蕩器是否真的可以完全取代?又有哪些優(yōu)勢(shì)呢?
在大多數(shù)微控制器(μC)時(shí)鐘電路中,硅振蕩器可以取代晶體和陶瓷諧振器器件.除了振動(dòng),沖擊和抗EMI的優(yōu)點(diǎn)外,硅基定時(shí)裝置比晶體或陶瓷諧振器更小,更易于使用.本應(yīng)用筆記說(shuō)明了如何用硅振蕩器器件取代普通的晶體和陶瓷諧振器時(shí)鐘電路.硅振蕩器是滿足大多數(shù)微控制器(μC)時(shí)鐘需求的簡(jiǎn)單而有效的解決方案.與基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器不同,硅基定時(shí)器件對(duì)振動(dòng),沖擊和電磁干擾(EMI)效應(yīng)相對(duì)不敏感.此外,硅振蕩器不需要仔細(xì)匹配定時(shí)組件或電路板布局.
除了應(yīng)用中的任何環(huán)境因素外,時(shí)鐘源的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常取決于四個(gè)基本參數(shù):精度,電源電壓,尺寸和噪聲.準(zhǔn)確度要求通常由為應(yīng)用程序定義的通信標(biāo)準(zhǔn)確定.例如,高速USB要求總時(shí)鐘精度為±0.25％.相比之下,沒(méi)有外部通信的系統(tǒng)可以很好地運(yùn)行,時(shí)鐘源精度為5％,10％甚至20％.
硅振蕩器與晶體或陶瓷諧振器的比較
微控制器時(shí)鐘電源電壓通常為1V至5.5V.硅振蕩器的電源電壓通常為2.4V至5.5V.時(shí)鐘噪聲受許多來(lái)源的影響,包括放大器噪聲,電源噪聲,電路板布局以及振蕩元件的固有噪聲抑制(或“Q”)特性.憑借其高Q值,晶體通常產(chǎn)生噪聲最低的石英晶體振蕩器電路,使其特別適用于需要低基帶噪聲的系統(tǒng),如音頻編解碼器.然而,硅振蕩器通常占據(jù)最小的空間并且不需要額外的定時(shí)組件.通常,電源旁路電容是大多數(shù)硅振蕩器所需的唯一外部元件.
皮爾斯振蕩器
基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器通常被實(shí)現(xiàn)為皮爾斯振蕩器,其中晶體或諧振器用作反相放大器的反饋中的調(diào)諧元件.為了在這種設(shè)計(jì)中穩(wěn)定工作,相移補(bǔ)償和增益控制由附加電容器和電阻器提供.此外,電阻器提供防止過(guò)驅(qū)動(dòng)所需的阻尼,這可能永久地?fù)p壞晶體或諧振器.
圖1顯示了兩個(gè)皮爾斯振蕩器示例.圖1a是使用外部電容和電阻的典型有源晶振電路.圖1b顯示了使用三端陶瓷諧振器的Pierce振蕩器,該諧振器集成了補(bǔ)償電容.每種設(shè)計(jì)的元件值取決于工作頻率,電源電壓,逆變器類型,元件類型(晶體或諧振器)和制造商.
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圖1.晶體和三端陶瓷諧振器皮爾斯振蕩器.
最常見(jiàn)的Pierce振蕩器實(shí)現(xiàn)使用CMOS反相器門(mén)作為放大器.盡管通常不如基于晶體管的振蕩器穩(wěn)定且具有更高的功耗,但基于CMOS逆變器的設(shè)計(jì)在一系列條件下是簡(jiǎn)單且可用的.雖然緩沖和非緩沖逆變器都可用于放大器元件,但無(wú)緩沖逆變器是首選,因?yàn)樗鼈兛僧a(chǎn)生更穩(wěn)定的振蕩器,盡管功耗增加.無(wú)緩沖柵極沒(méi)有強(qiáng)輸出級(jí),必須由標(biāo)準(zhǔn)逆變器緩沖,以驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)電路板走線.
硅振蕩器的優(yōu)點(diǎn)
最簡(jiǎn)單的時(shí)鐘源由獨(dú)立的振蕩器器件提供,例如硅振蕩器.這些器件產(chǎn)生指定頻率的方波,直接應(yīng)用于μC時(shí)鐘輸入.硅振蕩器不依賴于機(jī)械諧振特性來(lái)得出振蕩頻率;他們使用內(nèi)部RC時(shí)間常數(shù).這種設(shè)計(jì)使得基于硅的器件相對(duì)不受外部機(jī)械影響.此外,缺少暴露的高阻抗節(jié)點(diǎn),例如傳統(tǒng)振蕩器中的節(jié)點(diǎn),使得硅可編程晶振更能容忍濕度和EMI效應(yīng).
取代硅振蕩器
當(dāng)用硅振蕩器代替晶體或諧振器器件時(shí),首先丟棄與振蕩器電路相關(guān)的任何元件.這通常涉及去除一個(gè)或兩個(gè)電阻器和兩個(gè)電容器(如果它們不包括在諧振器封裝中).然后可以將振蕩器放置在方便的位置,時(shí)鐘輸出連接到μC時(shí)鐘輸入(OSC1)引腳.振蕩器器件的電源應(yīng)與為μC時(shí)鐘輸入電路供電的電源相同.該設(shè)計(jì)的一個(gè)例子在圖2和3中示出,其中顯示了MC68HC908μC的振蕩器電路.圖2顯示了三端陶瓷諧振器的推薦電路.圖3顯示了使用硅振蕩器的電路,在這種情況下,MAX7375采用SC70封裝,尺寸僅為2.0mmx2.1mm,包括引腳.
圖2.MC68HC908μC帶有一個(gè)小型三端諧振器振蕩器.
圖3.使用MAX7375硅振蕩器的MC68HC908μC.
圖4.串聯(lián)電阻最小化EM發(fā)射
硅振蕩器的板放置通常并不重要,因?yàn)檫@些晶振輸出低阻抗方波,可以在合理的距離上傳輸,而不必?fù)?dān)心來(lái)自其他信號(hào)的干擾.硅振蕩器還將驅(qū)動(dòng)多個(gè)時(shí)鐘目標(biāo).與任何高速信號(hào)一樣,時(shí)鐘輸出在驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)跡線長(zhǎng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射.通過(guò)將電阻與每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)串聯(lián)并與時(shí)鐘發(fā)生器引腳相鄰,可以最大限度地減少這些發(fā)射.圖4給出了這種方法,該圖顯示了MAX7375驅(qū)動(dòng)兩個(gè)時(shí)鐘目標(biāo),每個(gè)目標(biāo)電阻與每個(gè)目標(biāo)電阻相對(duì)應(yīng).
在大多數(shù)微控制器(μC)時(shí)鐘電路中,硅振蕩器可以取代晶體和陶瓷諧振器器件.除了振動(dòng),沖擊和抗EMI的優(yōu)點(diǎn)外,硅基定時(shí)裝置比晶體或陶瓷諧振器更小,更易于使用.本應(yīng)用筆記說(shuō)明了如何用硅振蕩器器件取代普通的晶體和陶瓷諧振器時(shí)鐘電路.硅振蕩器是滿足大多數(shù)微控制器(μC)時(shí)鐘需求的簡(jiǎn)單而有效的解決方案.與基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器不同,硅基定時(shí)器件對(duì)振動(dòng),沖擊和電磁干擾(EMI)效應(yīng)相對(duì)不敏感.此外,硅振蕩器不需要仔細(xì)匹配定時(shí)組件或電路板布局.
除了應(yīng)用中的任何環(huán)境因素外,時(shí)鐘源的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常取決于四個(gè)基本參數(shù):精度,電源電壓,尺寸和噪聲.準(zhǔn)確度要求通常由為應(yīng)用程序定義的通信標(biāo)準(zhǔn)確定.例如,高速USB要求總時(shí)鐘精度為±0.25％.相比之下,沒(méi)有外部通信的系統(tǒng)可以很好地運(yùn)行,時(shí)鐘源精度為5％,10％甚至20％.
硅振蕩器與晶體或陶瓷諧振器的比較
微控制器時(shí)鐘電源電壓通常為1V至5.5V.硅振蕩器的電源電壓通常為2.4V至5.5V.時(shí)鐘噪聲受許多來(lái)源的影響,包括放大器噪聲,電源噪聲,電路板布局以及振蕩元件的固有噪聲抑制(或“Q”)特性.憑借其高Q值,晶體通常產(chǎn)生噪聲最低的石英晶體振蕩器電路,使其特別適用于需要低基帶噪聲的系統(tǒng),如音頻編解碼器.然而,硅振蕩器通常占據(jù)最小的空間并且不需要額外的定時(shí)組件.通常,電源旁路電容是大多數(shù)硅振蕩器所需的唯一外部元件.
皮爾斯振蕩器
基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器通常被實(shí)現(xiàn)為皮爾斯振蕩器,其中晶體或諧振器用作反相放大器的反饋中的調(diào)諧元件.為了在這種設(shè)計(jì)中穩(wěn)定工作,相移補(bǔ)償和增益控制由附加電容器和電阻器提供.此外,電阻器提供防止過(guò)驅(qū)動(dòng)所需的阻尼,這可能永久地?fù)p壞晶體或諧振器.
圖1顯示了兩個(gè)皮爾斯振蕩器示例.圖1a是使用外部電容和電阻的典型有源晶振電路.圖1b顯示了使用三端陶瓷諧振器的Pierce振蕩器,該諧振器集成了補(bǔ)償電容.每種設(shè)計(jì)的元件值取決于工作頻率,電源電壓,逆變器類型,元件類型(晶體或諧振器)和制造商.
圖1.晶體和三端陶瓷諧振器皮爾斯振蕩器.
硅振蕩器的優(yōu)點(diǎn)
最簡(jiǎn)單的時(shí)鐘源由獨(dú)立的振蕩器器件提供,例如硅振蕩器.這些器件產(chǎn)生指定頻率的方波,直接應(yīng)用于μC時(shí)鐘輸入.硅振蕩器不依賴于機(jī)械諧振特性來(lái)得出振蕩頻率;他們使用內(nèi)部RC時(shí)間常數(shù).這種設(shè)計(jì)使得基于硅的器件相對(duì)不受外部機(jī)械影響.此外,缺少暴露的高阻抗節(jié)點(diǎn),例如傳統(tǒng)振蕩器中的節(jié)點(diǎn),使得硅可編程晶振更能容忍濕度和EMI效應(yīng).
取代硅振蕩器
當(dāng)用硅振蕩器代替晶體或諧振器器件時(shí),首先丟棄與振蕩器電路相關(guān)的任何元件.這通常涉及去除一個(gè)或兩個(gè)電阻器和兩個(gè)電容器(如果它們不包括在諧振器封裝中).然后可以將振蕩器放置在方便的位置,時(shí)鐘輸出連接到μC時(shí)鐘輸入(OSC1)引腳.振蕩器器件的電源應(yīng)與為μC時(shí)鐘輸入電路供電的電源相同.該設(shè)計(jì)的一個(gè)例子在圖2和3中示出,其中顯示了MC68HC908μC的振蕩器電路.圖2顯示了三端陶瓷諧振器的推薦電路.圖3顯示了使用硅振蕩器的電路,在這種情況下,MAX7375采用SC70封裝,尺寸僅為2.0mmx2.1mm,包括引腳.
圖2.MC68HC908μC帶有一個(gè)小型三端諧振器振蕩器.
圖3.使用MAX7375硅振蕩器的MC68HC908μC.
圖4.串聯(lián)電阻最小化EM發(fā)射
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