原创 石英晶振、硅晶振和陶瓷晶振原理对比及驱动电路

2022-7-6 09:45 417 0 分类: MCU/ 嵌入式 文集: 技术

频率元器件有石英晶体谐振器(quartz crystal resonator)、石英晶体振荡器(crystal oscillator module)、硅振荡器(Si-MEMS oscillator)、陶瓷谐振器(ceramic resonator)四种。由于起振材料、驱动电路各不不同,性能及目标应用也不一样,应用选型时需要多方面权衡。

 

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以下按起振材料和驱动电路的不同,分别对这些频率元器件进行分类对比。

1.起振材料

按时钟源的起振材料,频率元器件可分为石英(SIO2)、硅(SI)、陶瓷三大类。

 

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石英晶体谐振器(Xtal)、晶体振荡器(XO)与陶瓷谐振器

 

(1)石英频率元器件

石英频率元器件有晶体谐振器(Xtal)、晶体振荡器(XO)两类,它们都采用石英片作为起振源。

谐振器(Xtal)是无源元件,需要配置驱动电路才能构成振荡器,并且输出信号的电压由起振电路决定,允许不同的电压输出,但信号质量和精度都不如有源的晶体振荡器(XO)。应用中,用户需要精确匹配外围电路(电感、电容、电阻等),如需更换晶振就要同时更换外围电路。

 

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有源晶振(XO)带有驱动电路并优化完成


有源晶振(XO)是带有驱动电路,并匹配优化完成,已经封装完好的振荡器,可以提供高精度的频率基准。使用时,用户不需要配置,只要选对频率和输出电平格式就OK了。

(2)陶瓷谐振器

陶瓷谐振器也是一种重要的频率元件,典型初始精度在0.5%至0.1%范围内,老化或温漂可使精度超出这一范围。廉价陶瓷谐振器的频差只有±1.1%,较高端的可达±0.25%和±0.3%。

陶瓷器件起动较快,工作温度为-40°C至+125°C,而且体积一般小于石英器件,也更能承受冲击与振动,因此大量应用于汽车CAN总线控制,以及对时序要求不严格的低成本嵌入式系统。

(3)陶瓷谐振器

硅振荡器(MEMS硅晶振)采用标准半导体工艺制程,是组合了MEMS与CMOS电路技术的高性能全硅时钟频率器件,有望解决生产工艺复杂的石英振荡器的各种弊端,包括稳定性不高,频率有限,尺寸较大,品质一致性差,备货时间长,以及受材料特性限制产能等一系列问题。不过,硅晶振目前尚未成为主流。

RC振荡器是性能最差的振荡器,但电路布设灵活,成本也非常最低,是目前应用最广泛的时钟发生电路。

(4)硅振荡器

硅振荡器(Si-MEMS oscillator)以硅为起振材料,通过半导体MEMS工艺制成,性能与石英振荡器相当,并具有低成本、与半导体工艺兼容性好等优势,适合AIOT终端小体积、薄型化的发展方向。一些典型特征如下:
1)全自动化半导体工艺(芯片级),无气密性问题,永不停振。
2)内部包含温补电路,温漂很小。
3)平均无故障工作时间5亿小时。
4)抗震性能25倍于石英振荡器。
5)支持1-800MHZ任一频点,精确致小数点后5位输出。
6)支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多种工作电压匹配。
7)支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各种精度匹配。
8)支持7050、5032、3225、2520所有标准尺寸封装。
9)标准四脚、六脚封装,无需任何设计改动,直接替代石英振荡器。
10)支持差分输出、单端输出、压控(VCXO)、温补(TCXO)等产品种类。

 

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硅振荡器的优势

 硅振荡器可通过芯片内的fractional - NPLL和非易失性存储器,对频率、电压和精度进行编程调整,并组合成不同功能的时钟产品。除了SiTime外,硅振荡器主要由一些半导体芯片厂商制造,如ADI、diodes、ST、TI等。

2.驱动电路

从电路功能上,频率元器件可分为两大类,一类是谐振器(石英谐振器、陶瓷谐振器),另一大类是振荡器(石英晶体振荡器、硅振荡器、RC振荡器)。简单来说,给谐振器加上驱动电路就变成了振荡器。

(1)谐振器

谐振器包括石英谐振器、陶瓷谐振器两种,它们配置灵活,用户可根据应用需求自由选择外围振荡电路及其元器件。

其中,石英谐振器具有众所周知的天然优势,频率精度远远高于陶瓷谐振器,但成本也比陶瓷谐振器高很多。

陶瓷谐振器的频率误差、品质因数等性能远低于石英产品,频率温度稳定性也较差。但是,陶瓷谐振器的尺寸较小,成本通常只有晶体谐振器的一半,也能满足一些电子产品的频率控制需求,适合那些成本敏感且对性能要求不高的场合。

(2)振荡器

振荡器(oscillator)是一种能量转换装置,将直流电能转换为具有一定频率的交流电,其构成的电路叫振荡电路。

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谐振器加上驱动电路就构成了振荡器

与谐振器相比,振荡器是一种有源器件,多了一个用来控制频率的振荡电路,可产生精准、规则的频率信号(通常是正弦波或方波),这些信号质量好、稳定,而且连接方式相对简单,用户只需做好电源滤波即可,不需要复杂的配置电路。

当然,振荡器也有缺点,信号电平是固定的,需要选择好合适输出电平,而且体积较大、价格高,有些石英晶体振荡器的起振时间较长,用起来不够灵活,限制了用户的自由发挥空间。但是谁都不拒绝高性能和高可靠,例如工业、医疗、科学研究等时序敏感型应用。

作者: 硬之城Allchips, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3975615.html

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