硅頻率控制器（SFC）-晶體替代市場(chǎng)的寵兒

引言

        晶體的主要組成部分是二氧化硅，俗稱石英。石英具有非凡的機(jī)械和壓電特性，使得從19世紀(jì)40年代中期以來(lái)一直作為基本的時(shí)鐘器件。如今，只要需要時(shí)鐘的地方，工程師首先想到的就是晶體，但是隨著應(yīng)用的不斷深入，晶體的一些固有的缺陷也隨之暴露出來(lái)。如今新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并帶來(lái)很大的變化。

晶體的特點(diǎn)及參數(shù)

封裝

        晶體的封裝如圖1所示，有三部分組成：金屬上蓋，帶有電極的石英片和陶瓷底座。一般來(lái)說(shuō)，還需要向密封殼內(nèi)充氮?dú)狻?br />


圖1 晶體封裝圖

        現(xiàn)在幾乎所有的陶瓷密封裝都是由三家日本公司提供，但是由于日本地震和海嘯，產(chǎn)量嚴(yán)重受影響。今后很長(zhǎng)一段時(shí)間將難以滿足市場(chǎng)需求。

石英材料

        石英以其固有的壓電特性成為晶體中的主要部分。但是它必須經(jīng)過(guò)切割打磨才能使用，由于其厚度非常薄，雖然采取了保護(hù)措施，但是其抗震性一直是大家所擔(dān)心的。

精度
所謂精度就是實(shí)際的時(shí)鐘頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率的程度。用公式表示為：

Error (PPM) = (Factual-Ftarget) / Ftarget * 10E6

Error：精度
Factual：實(shí)際頻率
Ftarget：標(biāo)準(zhǔn)頻率
PPM：百萬(wàn)分之一

在晶體的應(yīng)用中，有這幾個(gè)方面需要考慮：

1） 頻率公差：就是在通常的環(huán)境溫度下（25°C+/-5°C）實(shí)際頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率的值。
2） 頻率溫度特征：就是在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)，實(shí)際頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率的值?，F(xiàn)在通常有三種溫度范圍：0°C--70°C，-20°C--70°C和-40°C--85°C。
3） 老化：晶體的內(nèi)部特性隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化引起的頻率的偏差，稱為晶體的老化。一般來(lái)說(shuō)，第一年晶體的精度受老化的影響為5PPM，以后每年大約為1-3PPM。如果一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生命周期為10年，則老化帶來(lái)的頻率精度變化最高可達(dá)32PPM。
4） 負(fù)載電容精度變化引起頻率的變化：這個(gè)因素往往容易被忽視。在晶體的應(yīng)用中有兩種工作模式，串行振蕩模式和并行振蕩模式。由于并行模式設(shè)計(jì)靈活并且有很高的輸出精度，現(xiàn)在已成為市場(chǎng)主流。 圖2是并行振蕩模式的等效電路圖：
 

圖2 并行振蕩模式等效電路圖

R1：動(dòng)態(tài)阻抗
C1：動(dòng)態(tài)電容
L1：動(dòng)態(tài)電感
C0：靜態(tài)電容
CL：負(fù)載電容

并行振蕩模式的頻率可根據(jù)以下公式：
FL=[1/2π√（L1*C1））]*√[1+C1/（C0+CL）]
其中[1/2π√（L1*C1））]是晶體串行振蕩模式的頻率
根據(jù)泰勒展開(kāi)：
FL=[1/2π√（L1*C1）]*[1+C1/2（C0+CL）]                            （1）
從公式中可以看出，頻率與C0,C1和CL都有關(guān)。

        在基頻諧振中C1為10-30fF，一般取值為20fF。C0取值與晶體的尺寸有關(guān)，一般取值為5pF。但是CL的計(jì)算與晶體外接電容和PCB設(shè)計(jì)和材料有關(guān)。下圖是參考電路圖

圖3 晶體外接負(fù)載電容示意圖

從上面電路中可得出：

1/（C11+CS1）+1/（C12+CS2）=1/（CL）                               （2）

        其中C11，C12是外接電容，也就是線路設(shè)計(jì)中放在晶體兩邊接地的兩個(gè)電容。CS1和CS2是寄生電容，和PCB 電路板的走線，焊盤(pán)及芯片的管腳有關(guān)。一般為5-10pF（在本文的計(jì)算中可設(shè)為8pF）。對(duì)于C11和C12，沒(méi)有確定的值（15pF-30pF），這和實(shí)際設(shè)計(jì)有關(guān)，例如取18pF。
CL如有變化，并行振蕩模式的頻率也隨之變化，請(qǐng)看圖4

 
圖4 負(fù)載電容變化與頻率的關(guān)系

由公式（1）可得頻率變化為：
（FCL1-FCL2）/FCL1=C1/2 * [1/（C0+CL1）-1/（C0+CL2）] * 10E6     （3）
從公式（2）和公式（3）中可知C11和C12的精度將影響頻率的精度。具體數(shù)據(jù)如表1所示。其中參數(shù)的取值如前文：C1=20fF，C0=5pF，CS1=CS2=8pF，C11=C12=18pF。

表1 電容精度與頻率精度的關(guān)系

電容精度 CL1 CL2 影響頻率精度（PPM）
0.50% 12.955  13.045  3
1% 12.910  13.090  6
5% 12.550  13.450  28
10% 12.100  13.900  56
20% 11.200  14.800  112

在很多應(yīng)用場(chǎng)合，電容精度取5%，從上表可看出它對(duì)頻率精度的影響可達(dá)到28PPM。這在設(shè)計(jì)中容易被忽略的。

5） 其他因素：如回流焊接的影響，濕度的影響，大氣壓的影響等。這些因素影響不大，不再這里詳述。

晶體振蕩總的頻率精度就是上述五個(gè)方面之和。

硅頻率控制器(SFC)

SFC原理

        由于石英材料及其振蕩原理的局限性，近年來(lái)，人們不斷探索用新技術(shù)來(lái)替代它。如MEMS技術(shù)，但是它的中心振蕩頻率不是很高（如16MHz）所以如果需要高的頻率輸出，必須經(jīng)過(guò)一級(jí)PLL， 增加了成本，相位噪音和功耗。

        IDT在這一領(lǐng)域做了深入的研究，采用專利的CMOS諧波振蕩器（CHO），推出了全硅頻率控制器。它的核心是一個(gè)高頻的振蕩模塊，根據(jù)設(shè)置不同的分頻系數(shù)可得到不同的輸出頻率。這樣，既不需要石英做為振蕩源，也不需要PLL做倍頻。

        SFC工作狀態(tài)需要電源而晶體不需要。但是，由于ASIC必須提供晶體起振電路，所以晶體也相應(yīng)地增加了ASIC的能耗。

硅頻率控制器(SFC)的參數(shù)

精度

        硅頻率控制器的頻率公差在50PPM。-20-70°C頻率溫度特征是50PPM。硅頻率控制器不使用石英，所以沒(méi)有老化方面的問(wèn)題。精度只需考慮兩個(gè)方面即可?？蓞⒄找韵卤?中的例子。晶體精度的取值請(qǐng)參照前文的計(jì)算。

表2 兩類產(chǎn)品的比較

晶體  SFC
頻率公差  50ppm   50ppm
溫度特征 50ppm   50ppm
老化 32ppm/10yr   
負(fù)載電容變化 +/-5% 28ppm   
其它    
總共 160ppm   100ppm

         從這個(gè)例子可以看出，雖然都是50PPM的頻率公差和溫度特征，計(jì)算出晶體的精度可達(dá)160PPM。而硅頻率控制器的精度是100PPM。

最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)
   
        硅頻率控制器不需要任何輔助器件即可工作。晶體必須外掛兩顆電容才能正常工作，這不但節(jié)約了成本，還節(jié)約了寶貴的空間，這符合產(chǎn)品小型化發(fā)展的趨勢(shì)。

超低供電電流

        在工作狀況下，供電電流是1.9mA。靜態(tài)工作電流更是只有1uA。其它基于晶體和MEMS的產(chǎn)品是它的4-10倍。這對(duì)于手持設(shè)備更是一個(gè)福音。因?yàn)閷?duì)于相同的電池容量，低電流意味著更長(zhǎng)的使用時(shí)間，這越來(lái)越受到產(chǎn)品制造商的重視。

快速啟動(dòng)時(shí)間 
 
        標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)時(shí)間是400uS。而晶體的啟動(dòng)時(shí)間有時(shí)競(jìng)達(dá)到10mS。更快的啟動(dòng)時(shí)間可以使產(chǎn)品從上電或待機(jī)狀態(tài)迅速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。這也增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，在市場(chǎng)上占有利的地位。

寬頻率輸出范圍

        不需要PLL，硅頻率控制器可輸出4-50MHz。對(duì)于通用的頻率，如10M，14.31818M，19.44M，20M，25M，33M，33.3333M，40M，48M，50M等等可以直接訂購(gòu)，對(duì)于不通用或者特殊頻率，可通過(guò)工廠設(shè)置輸出分頻系數(shù)得到。

更高的工作可靠性

        現(xiàn)在時(shí)尚的產(chǎn)品總是被人們喜歡隨身攜帶，如掉在地上，被硬物碰到等小意外發(fā)生是不可避免的。這往往會(huì)造成晶體停振而使產(chǎn)品失效。硅頻率控制器由于沒(méi)有采用晶體，所以不會(huì)受到振動(dòng)和擠壓的影響。這對(duì)于產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性工作是非常重要的。而這也是設(shè)備制造商越來(lái)越喜歡它的原因之一。另外，硅頻率控制器沒(méi)有高阻抗的輸入管腳，這樣更利于通過(guò)EMI的測(cè)試。

更好的抖動(dòng)指標(biāo)

下例是在SATA GEN2連接性能測(cè)試結(jié)果。從中可以看出硅頻率控制器的抖動(dòng)小于晶體的抖動(dòng)。


圖5 晶體抖動(dòng)指標(biāo)實(shí)測(cè)圖

 
圖6 硅頻率控制器SFC的抖動(dòng)指標(biāo)實(shí)測(cè)圖

塑殼封裝

        硅頻率控制器的封裝采用成本更低的塑殼即可。而晶體必須采用陶瓷密封裝。所以硅頻率控制器的成本可以更低。并且塑殼封裝的資源非常豐富，不受到廠家供貨周期和數(shù)量的限制。
硅頻率控制器的尺寸通常是2.5*2*0.55mm。并會(huì)有更小的尺寸推出。眾所周知，小封裝的晶體會(huì)大幅度增加成本。但這對(duì)于硅頻率控制器是非常容易實(shí)現(xiàn)的并可能是更少的價(jià)格。

更快的供貨周期

        如前文所述，硅頻率控制器的核心是穩(wěn)定的高速振蕩模塊。工廠可預(yù)先生產(chǎn)，然后根據(jù)客戶的需求來(lái)配置輸出頻率，這樣可大大縮短產(chǎn)品供貨周期。

SFC 晶源

        硅頻率控制器是一種CMOS技術(shù)，和ASIC是同一種工藝，所以ASIC很容易將硅頻率發(fā)生器的晶源集成進(jìn)去。如果是石英，因?yàn)槭遣煌墓に?，所以?huì)帶來(lái)很多工藝和可靠性方面的問(wèn)題。

硅頻率控制器產(chǎn)品應(yīng)用

硅頻率控制器的外觀如圖7
 

圖7 硅頻率控制器的外觀圖

硅頻率控制器的管腳分布以2.5*2*0.55mm 為例，如圖8所示

 
圖8, 硅頻率控制器的管腳分布圖(2.5*2*0.55mm)