MEMS硅晶振比陶瓷和石英多了哪些優勢?
來源：http://www.ike-digital.com 作者：康華爾電子 2019年08月27
如果晶振要按材質來分類,市場上常見的有石英晶振,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別,陶瓷晶體和振蕩子的精準度和性能是比較低的,用石英和水晶生產的石英晶體和晶體振蕩器,是所有類型中應用最多,在市面上處于主導地位.但近年來硅晶振也有了明顯上升的趨勢,甚至行業里有部分人士認為,MEMS硅晶振將會超越石英和陶瓷,那么MEMS振蕩器是否真的可以完全取代?又有哪些優勢呢?
在大多數微控制器(μC)時鐘電路中,硅振蕩器可以取代晶體和陶瓷諧振器器件.除了振動,沖擊和抗EMI的優點外,硅基定時裝置比晶體或陶瓷諧振器更小,更易于使用.本應用筆記說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鐘電路.硅振蕩器是滿足大多數微控制器(μC)時鐘需求的簡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,硅基定時器件對振動,沖擊和電磁干擾(EMI)效應相對不敏感.此外,硅振蕩器不需要仔細匹配定時組件或電路板布局.
除了應用中的任何環境因素外,時鐘源的選擇標準通常取決于四個基本參數:精度,電源電壓,尺寸和噪聲.準確度要求通常由為應用程序定義的通信標準確定.例如,高速USB要求總時鐘精度為±0.25％.相比之下,沒有外部通信的系統可以很好地運行,時鐘源精度為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.時鐘噪聲受許多來源的影響,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,如音頻編解碼器.然而,硅振蕩器通常占據最小的空間并且不需要額外的定時組件.通常,電源旁路電容是大多數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現為皮爾斯振蕩器,其中晶體或諧振器用作反相放大器的反饋中的調諧元件.為了在這種設計中穩定工作,相移補償和增益控制由附加電容器和電阻器提供.此外,電阻器提供防止過驅動所需的阻尼,這可能永久地損壞晶體或諧振器.
圖1顯示了兩個皮爾斯振蕩器示例.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,該諧振器集成了補償電容.每種設計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.
最常見的Pierce振蕩器實現使用CMOS反相器門作為放大器.盡管通常不如基于晶體管的振蕩器穩定且具有更高的功耗,但基于CMOS逆變器的設計在一系列條件下是簡單且可用的.雖然緩沖和非緩沖逆變器都可用于放大器元件,但無緩沖逆變器是首選,因為它們可產生更穩定的振蕩器,盡管功耗增加.無緩沖柵極沒有強輸出級,必須由標準逆變器緩沖,以驅動長電路板走線.
硅振蕩器的優點
最簡單的時鐘源由獨立的振蕩器器件提供,例如硅振蕩器.這些器件產生指定頻率的方波,直接應用于μC時鐘輸入.硅振蕩器不依賴于機械諧振特性來得出振蕩頻率;他們使用內部RC時間常數.這種設計使得基于硅的器件相對不受外部機械影響.此外,缺少暴露的高阻抗節點,例如傳統振蕩器中的節點,使得硅可編程晶振更能容忍濕度和EMI效應.
取代硅振蕩器
當用硅振蕩器代替晶體或諧振器器件時,首先丟棄與振蕩器電路相關的任何元件.這通常涉及去除一個或兩個電阻器和兩個電容器(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,時鐘輸出連接到μC時鐘輸入(OSC1)引腳.振蕩器器件的電源應與為μC時鐘輸入電路供電的電源相同.該設計的一個例子在圖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.串聯電阻最小化EM發射
硅振蕩器的板放置通常并不重要,因為這些晶振輸出低阻抗方波,可以在合理的距離上傳輸,而不必擔心來自其他信號的干擾.硅振蕩器還將驅動多個時鐘目標.與任何高速信號一樣,時鐘輸出在驅動長跡線長度時會產生電磁輻射.通過將電阻與每個時鐘信號串聯并與時鐘發生器引腳相鄰,可以最大限度地減少這些發射.圖4給出了這種方法,該圖顯示了MAX7375驅動兩個時鐘目標,每個目標電阻與每個目標電阻相對應.
在大多數微控制器(μC)時鐘電路中,硅振蕩器可以取代晶體和陶瓷諧振器器件.除了振動,沖擊和抗EMI的優點外,硅基定時裝置比晶體或陶瓷諧振器更小,更易于使用.本應用筆記說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鐘電路.硅振蕩器是滿足大多數微控制器(μC)時鐘需求的簡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,硅基定時器件對振動,沖擊和電磁干擾(EMI)效應相對不敏感.此外,硅振蕩器不需要仔細匹配定時組件或電路板布局.
除了應用中的任何環境因素外,時鐘源的選擇標準通常取決于四個基本參數:精度,電源電壓,尺寸和噪聲.準確度要求通常由為應用程序定義的通信標準確定.例如,高速USB要求總時鐘精度為±0.25％.相比之下,沒有外部通信的系統可以很好地運行,時鐘源精度為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.時鐘噪聲受許多來源的影響,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,如音頻編解碼器.然而,硅振蕩器通常占據最小的空間并且不需要額外的定時組件.通常,電源旁路電容是大多數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現為皮爾斯振蕩器,其中晶體或諧振器用作反相放大器的反饋中的調諧元件.為了在這種設計中穩定工作,相移補償和增益控制由附加電容器和電阻器提供.此外,電阻器提供防止過驅動所需的阻尼,這可能永久地損壞晶體或諧振器.
圖1顯示了兩個皮爾斯振蕩器示例.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,該諧振器集成了補償電容.每種設計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.
硅振蕩器的優點
最簡單的時鐘源由獨立的振蕩器器件提供,例如硅振蕩器.這些器件產生指定頻率的方波,直接應用于μC時鐘輸入.硅振蕩器不依賴于機械諧振特性來得出振蕩頻率;他們使用內部RC時間常數.這種設計使得基于硅的器件相對不受外部機械影響.此外,缺少暴露的高阻抗節點,例如傳統振蕩器中的節點,使得硅可編程晶振更能容忍濕度和EMI效應.
取代硅振蕩器
當用硅振蕩器代替晶體或諧振器器件時,首先丟棄與振蕩器電路相關的任何元件.這通常涉及去除一個或兩個電阻器和兩個電容器(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,時鐘輸出連接到μC時鐘輸入(OSC1)引腳.振蕩器器件的電源應與為μC時鐘輸入電路供電的電源相同.該設計的一個例子在圖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.串聯電阻最小化EM發射
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