原创 石英谐振器(XTAL)国产替代及注意事项

2021-11-29 15:28 565 1 1 分类: MCU/ 嵌入式 文集: 技术

随着5G技术推进,智能终端对于蓝牙、wifi、定位、导航等功能的需求提升,这就要求晶振产品满足高性能、小型化、高性价比和供应链稳定等要求,技术替代和国产取代成了常用的BOM优化手段。

技术性取代快速发展

无源晶振(XTAL)用于对精度要求不高、对BOM成本比较敏感的领域。比如移动终端的蓝牙传输、红外线功能,计时器及钟表的计时功能,仅需无源晶振便能实现。

产品类别上,虽然无源晶振的精度、抗噪声性能、抗干扰性能较有源晶振存在一定差距,但只有约有源晶振(XO)1/4的价格会让终端厂商欢呼,而且还可以在振荡电路方面发挥潜力,采取一定的改进措施而获得稳定的频率输出。更何况,采用热敏电阻补偿技术的热敏晶振(TSX)已经批量上市,可在一定领域取代传统的温补晶振(TCXO)。

惠伦晶体生产的石英晶振产品


例如,惠伦晶体TSX热敏晶体把SMD谐振器与热敏电阻封装在一起,尽可能降低了SMD谐振器与热敏电阻之间的温度差异,提升了压电石英晶片温度的一致性。这些TSX热敏晶体的典型稳定度规范范围是-30℃~85℃小于±12ppm,精度与稳定性优于一般SMD谐振器,成品价格较TCXO振荡器低,温度特性与精度稳定度又趋近TCXO振荡器特性。在小型化方面,电子产品不断向小型化方向快速发展,为之配套的元器件也随之向小型化方向发展。这体现在两方面:一是带引线的晶振产品(DIP,如49U、49S)被不含引线的表面贴装元件(SMD)元件取代,另一方面是寸尺稍大一些的SMD石英晶体元器件被更小尺寸取代,具体取代路线是8045→7050→6035→5032→3225→2520→2016。

国产替代注意事项

国产替代是从供应链安全性方面考量的。近年来,日本NDK、KDS业务收入均呈现下滑趋势,尤其是2018年下半年以来,中美及日韩贸易摩擦加剧,国内知名通讯、整机、家电厂商为了保障产业链安全,积极在国内电子元器件行业寻求国产替代,促使小型化SMD谐振器、TCXO振荡器、TSX热敏晶体等中高端产品进口替代加速。在替换BOM表中的国外晶振品牌时,有一些技术问题需要提一下:

1、负载电容CL

石英晶体谐振器规格书中的标称频率是在一定负载电容CL条件下测定的,使用时必须连接两个等值的负载匹配电容,并调整至最佳值,才能获得标称的振荡频率。

石英晶体谐振器的总负载电容(Cload)


这里,匹配用途的陶瓷电容器C1和C2是等值的,其容值加上晶体封装、振荡器输入接脚和电路板线路的任何杂散电容的总和构成总负载电容(Cload)。要准确计算电路中的所有杂散电容和寄生电容并不容易,因此您可以先进行预估(通常在4至6pF左右),然后测量输出频率,以查看是否需要调整电容器的值。如果总CLoad大于指定CL,将会降低振荡频率。如果CL太低,则频率将更高。如果CL的高低过于悬殊,则振荡器可能根本无法启动。如果把晶振替换了,C1和C2当然要重新推算。

2、电路负阻与谐振器谐振电阻的配合

通常振荡电路在设计时会有一个负电阻值,这个负电阻值通常会与电路的反馈系数、有源元件的放大倍数有关。石英谐振器作为选频元件,本身有一个等效的谐振电阻。这个谐振电阻与谐振器的封装尺寸、频率有关,通常谐振器尺寸越小,谐振电阻越大;频率越低,谐振电阻越大。当电路的负电阻小于石英谐振器电阻的2倍时振荡会变得不稳定。特别是振荡电路的工作电压发生波动,有源元件的和反馈环节的元件值的分散性都会使负阻偏离设计值。如果更换了谐振器,石英谐振器的谐振电阻发生了变化,振荡电路所需的正常工作条件破坏了,就需要对反馈电路进行调整,建议负电阻调整为石英谐振器电阻的3-10倍左右。

3、晶体元件的寄生问题

如果替换石英谐振器后,导致频率不在要求的数值上就造成电路不能正常工作,这可能是多个寄生响应引起的。这种现象很少发生,如果出现了多半是发生在高频晶振上,这需要与晶振厂商协商。

作者: 硬之城Allchips, 来源:面包板社区

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