MEMS硅晶振比陶瓷和石英多了哪些优势?
来源：http://www.konuaer.net 作者：康华尔电子 2019年08月27
如果晶振要按材质来分类,市场上常见的有石英晶振,陶瓷晶振和MEMS硅晶振等,它们的原材料分别是石英/水晶,陶瓷和硅晶.不同的原料制造出来的晶体晶振除了外观上不一样,其性能和特性也有很大的区别,陶瓷晶体和振荡子的精准度和性能是比较低的,用石英和水晶生产的石英晶体和晶体振荡器,是所有类型中应用最多,在市面上处于主导地位.但近年来硅晶振也有了明显上升的趋势,甚至行业里有部分人士认为,MEMS硅晶振将会超越石英和陶瓷,那么MEMS振荡器是否真的可以完全取代?又有哪些优势呢?
在大多数微控制器(μC)时钟电路中,硅振荡器可以取代晶体和陶瓷谐振器器件.除了振动,冲击和抗EMI的优点外,硅基定时装置比晶体或陶瓷谐振器更小,更易于使用.本应用笔记说明了如何用硅振荡器器件取代普通的晶体和陶瓷谐振器时钟电路.硅振荡器是满足大多数微控制器(μC)时钟需求的简单而有效的解决方案.与基于晶体和陶瓷谐振器的振荡器不同,硅基定时器件对振动,冲击和电磁干扰(EMI)效应相对不敏感.此外,硅振荡器不需要仔细匹配定时组件或电路板布局.
除了应用中的任何环境因素外,时钟源的选择标准通常取决于四个基本参数:精度,电源电压,尺寸和噪声.准确度要求通常由为应用程序定义的通信标准确定.例如,高速USB要求总时钟精度为±0.25％.相比之下,没有外部通信的系统可以很好地运行,时钟源精度为5％,10％甚至20％.
硅振荡器与晶体或陶瓷谐振器的比较
微控制器时钟电源电压通常为1V至5.5V.硅振荡器的电源电压通常为2.4V至5.5V.时钟噪声受许多来源的影响,包括放大器噪声,电源噪声,电路板布局以及振荡元件的固有噪声抑制(或“Q”)特性.凭借其高Q值,晶体通常产生噪声最低的石英晶体振荡器电路,使其特别适用于需要低基带噪声的系统,如音频编解码器.然而,硅振荡器通常占据最小的空间并且不需要额外的定时组件.通常,电源旁路电容是大多数硅振荡器所需的唯一外部元件.
皮尔斯振荡器
基于晶体和陶瓷谐振器的振荡器通常被实现为皮尔斯振荡器,其中晶体或谐振器用作反相放大器的反馈中的调谐元件.为了在这种设计中稳定工作,相移补偿和增益控制由附加电容器和电阻器提供.此外,电阻器提供防止过驱动所需的阻尼,这可能永久地损坏晶体或谐振器.
图1显示了两个皮尔斯振荡器示例.图1a是使用外部电容和电阻的典型有源晶振电路.图1b显示了使用三端陶瓷谐振器的Pierce振荡器,该谐振器集成了补偿电容.每种设计的元件值取决于工作频率,电源电压,逆变器类型,元件类型(晶体或谐振器)和制造商.
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图1.晶体和三端陶瓷谐振器皮尔斯振荡器.
最常见的Pierce振荡器实现使用CMOS反相器门作为放大器.尽管通常不如基于晶体管的振荡器稳定且具有更高的功耗,但基于CMOS逆变器的设计在一系列条件下是简单且可用的.虽然缓冲和非缓冲逆变器都可用于放大器元件,但无缓冲逆变器是首选,因为它们可产生更稳定的振荡器,尽管功耗增加.无缓冲栅极没有强输出级,必须由标准逆变器缓冲,以驱动长电路板走线.
硅振荡器的优点
最简单的时钟源由独立的振荡器器件提供,例如硅振荡器.这些器件产生指定频率的方波,直接应用于μC时钟输入.硅振荡器不依赖于机械谐振特性来得出振荡频率;他们使用内部RC时间常数.这种设计使得基于硅的器件相对不受外部机械影响.此外,缺少暴露的高阻抗节点,例如传统振荡器中的节点,使得硅可编程晶振更能容忍湿度和EMI效应.
取代硅振荡器
当用硅振荡器代替晶体或谐振器器件时,首先丢弃与振荡器电路相关的任何元件.这通常涉及去除一个或两个电阻器和两个电容器(如果它们不包括在谐振器封装中).然后可以将振荡器放置在方便的位置,时钟输出连接到μC时钟输入(OSC1)引脚.振荡器器件的电源应与为μC时钟输入电路供电的电源相同.该设计的一个例子在图2和3中示出,其中显示了MC68HC908μC的振荡器电路.图2显示了三端陶瓷谐振器的推荐电路.图3显示了使用硅振荡器的电路,在这种情况下,MAX7375采用SC70封装,尺寸仅为2.0mmx2.1mm,包括引脚.
图2.MC68HC908μC带有一个小型三端谐振器振荡器.
图3.使用MAX7375硅振荡器的MC68HC908μC.
图4.串联电阻最小化EM发射
硅振荡器的板放置通常并不重要,因为这些晶振输出低阻抗方波,可以在合理的距离上传输,而不必担心来自其他信号的干扰.硅振荡器还将驱动多个时钟目标.与任何高速信号一样,时钟输出在驱动长迹线长度时会产生电磁辐射.通过将电阻与每个时钟信号串联并与时钟发生器引脚相邻,可以最大限度地减少这些发射.图4给出了这种方法,该图显示了MAX7375驱动两个时钟目标,每个目标电阻与每个目标电阻相对应.
在大多数微控制器(μC)时钟电路中,硅振荡器可以取代晶体和陶瓷谐振器器件.除了振动,冲击和抗EMI的优点外,硅基定时装置比晶体或陶瓷谐振器更小,更易于使用.本应用笔记说明了如何用硅振荡器器件取代普通的晶体和陶瓷谐振器时钟电路.硅振荡器是满足大多数微控制器(μC)时钟需求的简单而有效的解决方案.与基于晶体和陶瓷谐振器的振荡器不同,硅基定时器件对振动,冲击和电磁干扰(EMI)效应相对不敏感.此外,硅振荡器不需要仔细匹配定时组件或电路板布局.
除了应用中的任何环境因素外,时钟源的选择标准通常取决于四个基本参数:精度,电源电压,尺寸和噪声.准确度要求通常由为应用程序定义的通信标准确定.例如,高速USB要求总时钟精度为±0.25％.相比之下,没有外部通信的系统可以很好地运行,时钟源精度为5％,10％甚至20％.
硅振荡器与晶体或陶瓷谐振器的比较
微控制器时钟电源电压通常为1V至5.5V.硅振荡器的电源电压通常为2.4V至5.5V.时钟噪声受许多来源的影响,包括放大器噪声,电源噪声,电路板布局以及振荡元件的固有噪声抑制(或“Q”)特性.凭借其高Q值,晶体通常产生噪声最低的石英晶体振荡器电路,使其特别适用于需要低基带噪声的系统,如音频编解码器.然而,硅振荡器通常占据最小的空间并且不需要额外的定时组件.通常,电源旁路电容是大多数硅振荡器所需的唯一外部元件.
皮尔斯振荡器
基于晶体和陶瓷谐振器的振荡器通常被实现为皮尔斯振荡器,其中晶体或谐振器用作反相放大器的反馈中的调谐元件.为了在这种设计中稳定工作,相移补偿和增益控制由附加电容器和电阻器提供.此外,电阻器提供防止过驱动所需的阻尼,这可能永久地损坏晶体或谐振器.
图1显示了两个皮尔斯振荡器示例.图1a是使用外部电容和电阻的典型有源晶振电路.图1b显示了使用三端陶瓷谐振器的Pierce振荡器,该谐振器集成了补偿电容.每种设计的元件值取决于工作频率,电源电压,逆变器类型,元件类型(晶体或谐振器)和制造商.
图1.晶体和三端陶瓷谐振器皮尔斯振荡器.
硅振荡器的优点
最简单的时钟源由独立的振荡器器件提供,例如硅振荡器.这些器件产生指定频率的方波,直接应用于μC时钟输入.硅振荡器不依赖于机械谐振特性来得出振荡频率;他们使用内部RC时间常数.这种设计使得基于硅的器件相对不受外部机械影响.此外,缺少暴露的高阻抗节点,例如传统振荡器中的节点,使得硅可编程晶振更能容忍湿度和EMI效应.
取代硅振荡器
当用硅振荡器代替晶体或谐振器器件时,首先丢弃与振荡器电路相关的任何元件.这通常涉及去除一个或两个电阻器和两个电容器(如果它们不包括在谐振器封装中).然后可以将振荡器放置在方便的位置,时钟输出连接到μC时钟输入(OSC1)引脚.振荡器器件的电源应与为μC时钟输入电路供电的电源相同.该设计的一个例子在图2和3中示出,其中显示了MC68HC908μC的振荡器电路.图2显示了三端陶瓷谐振器的推荐电路.图3显示了使用硅振荡器的电路,在这种情况下,MAX7375采用SC70封装,尺寸仅为2.0mmx2.1mm,包括引脚.
图2.MC68HC908μC带有一个小型三端谐振器振荡器.
图3.使用MAX7375硅振荡器的MC68HC908μC.
图4.串联电阻最小化EM发射
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