硅频率控制器晶体替代石英晶体 有望成为未来市场的宠儿

　　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。

　　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：

　　1) 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。

　　2) 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。

　　3) 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。

　　4)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))]*√[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)]*[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