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晶振概述

石英晶体振荡器与全硅MEMS振荡器比较

【前言】
各种各电子设备需要时钟基准信号,例如,对于由可编程IC组成的电子系统,程序的执行,需参考一定的时钟信号,不同种类的电子系统,对时钟信号的要求程度也不同。获取时钟可以通过石英晶体振荡器,也可以从其他器件获取,如陶瓷振荡,LC振荡,RC振荡,还有现在新推出的全硅MEMS振荡器。
陶瓷振荡器使用以锆钛酸铅(PZT)为主要材料的压电陶瓷;LC振荡器利用电感(L)和电容(C)组合后产生的谐振频率;CR振荡器使用电容(C)和电阻(R)所构成的充放电电路产生起振频率;全硅MEMS振荡器则是应用了MEMSMicro Electro Mechanical Systems,微机电系统)加工技术的硅基振荡器。众所周知,对于LC振荡,RC振荡,起振荡频率稳定度较低。陶瓷振荡器室温条件下的频率公差一般在0.1%-0.5%左右,整体批量货保证频率精度在±3%~±1%左右,通常用于微机时钟信号要求不是很高场合。
对于通信设备,尤其传输速率较高的通信,以及无线通信设备等要求振荡器具有高频,性能上要求精度和稳定度高,噪声小的特点,在这些用途方面大多使用石英晶体振荡器。近年来,硅基振荡器(全硅MEMS振荡器)等的性能也有所提高,但其原理依然使用的是锁相环(PLL)倍频技术,在性能方面与石英晶体振荡器存在着根本性的差异。本篇就MEMS振荡器结构和原理与传统石英晶体进行比较。
1硅振荡器结构及原理分析

                   

       

                                全硅MEMS振荡器结构

 

MEMS硅振荡器是由 MEMS硅晶圆 CMOS晶圆上下叠加而成,而CMOS晶圆则包括了NON MemoryPLL 锁相环电路、起振电路与温补电路。简而言之,MEMS硅振荡器由两部分组成:谐振器部分和IC振荡部分。谐振器部分为MEMS硅晶圆,IC振荡部分为CMOS晶圆。与传统石英晶体谐振器不同之处在于谐振部分不同,硅振荡器谐振部分为硅片,石英振荡器谐振部分为石英晶片。单从谐振部分进行比较,硅谐振器不及石英谐振器,常温频差稳定度,及温度特性,均差于石英材料的谐振器。那么全硅MEMS振荡器又如何提高其生产效率及频率稳定度的呢?关键在于IC振荡部分,硅振荡采用可编程锁相环(PLL),因此可以将谐振器振出的频率进行N倍频,甚至是小数点倍频;而为了避免硅片温度引起的频率漂移,电路采用了温度补偿。采用锁相环倍频方式达到将频率变高,其相位噪声不是很好。因此,在一些通信行业,全硅MEMS振荡器将无法使用。对于利用可编程锁相环(PLL)进行频率倍频,在石英振荡器中,也同样可以实现,谐振器部分采用石英晶片,IC振荡部分采用可编程锁相环(PLL,同样,可以实现烧录频率,缩短生产周期,并且在石英振荡器行内确实有这样的产品。但是,还是一样的缺点,不建议使用在通信行业,纠其原因,还是因为锁相环引起的噪声大,引起高速通信的设备因时钟基准不稳定,导致数据丢包,无法连接等问题。打个比方,石英晶体振荡器是一种相对短稳频率器件,而全硅MEMS振荡器是相对长稳频率器件。简单说,频率是单位时间内所含的脉冲个数。如,1MHZ1秒内有1M个脉冲。同样是1MHZ的频率,石英晶体振荡器脉冲个数相对均匀,间隔1μS ,而硅振荡稍微差点,有可能在前半段时间频率高些,后半段时间频率低一些,在整个1S区间内,脉冲总体是稳定在1M的,抖动(jitter)比较大。而现代的通信系统对频率的识别,远远小于1S闸门”时间,达到毫秒,微秒,甚至纳秒级别。时钟的稳定性,对于一些高速采样器件影响较大。
 
2MEMS硅谐振单元与石英晶体谐振单元比较
 
硅谐振器使用单晶硅,这种材料的Q 值比陶瓷的要好,但比水晶的要差在制造过程中使用半导体生产技术对晶圆进行一次性处理,从而能够生产廉价、小型的产品。与此相对,生产效率好反而妨碍了对每只谐振单元的调节,致使生产工艺中的微小差异直接影响初始频率公差。在目前情况下,每只谐振单元频率精度依靠补偿电路进行一定程度的调整。而且,单晶硅所具有的温度特性在-20 -30ppm/的范围内呈线形,变化量随温度而增加。因此,市场上供应的是进行了温度补偿并达到了一定精度的全硅MEMS 振荡器。
 
石英晶体振荡单元将石英(SiO2)作为材料。由于石英的结晶性高,因此它具有Q 值高、特性阻抗好的优点。因为它是各向异性晶体,可以通过切割方法而获得在常温范围内有拐点的呈三次曲线的温度特性。这表示它在较宽的温度范围内保持稳定。而且,对每只振荡单元的频率调整可通过改良生产工艺而实现,从而使初始频率公差也达到几ppm(百万分之一)程度的高精度,被广泛地应用于无线通信设备等要求高精度的领域。只从谐振器单元来看,可被誉为具有极高精度的部品。综上所述,在谐振器单元石英材料从Q值,及温度特性上,比硅谐振单元要好。
 
   石英和硅的温度特性如图1 所示。从图1 可以看到,石英的温度特性在较宽的温度范围内保持稳定,并在常温范围内有拐点(AT 型石英晶体的温度特性)。这表明石英晶体振荡单元无需调整也能在温度变化大的条件下保持稳定的精度,意味着它有能力应对极为广泛的应用领域。

        

     与此相对,硅谐振单元的温度特性在-20 -30ppm/℃的条件下呈线形。这说明,如果使用具有线性特性的谐振单元组建振荡器,就必须对晶体本身所具备的温度特性进行补偿。而且,石英晶体振荡单元在生产过程中对每只产品进行频率调节,使得初始频度公差保持在ppm 程度的差异之间;硅谐振单元为提高生产效率在生产过程中对晶圆进行一次性处理,这省略了个别调节的时间,却造成了初始频度公差的差异幅度大的情况。根据上述原因,使用硅谐振单元的全硅MEMS 振荡器必须带温度补偿电路,与石英相比电路耗电量可能更多。当然,耗电量主要与振荡部分ICCMOS晶圆工艺相关。      

3】全硅MEMS 振荡器和石英晶体振荡器的特性

 
基准信号的要求规格随用途而变,通常将振荡初始频率公差、频率对温度的稳定度及噪音和抖动特性等参数作为选择时的指标。
全硅MEMS 振荡器通过内建电路对硅谐振单元的温度特性进行温度补偿,以此确保稳定性。这种用于补偿的电路被称为小数分频锁相环(Fractional-N PLL,以下简称为‘Frac-N PLL’电路。Frac-N PLL 指使用了小数分频器的锁相环电路,它可以产生输入频率的小数倍的输出频率。全硅MEMS 振荡器使用这种方法改变硅谐振单元在各温度点的分频比,以此控制输出信号的起振频率进行温度补偿。图2 是使用这种方法进行了温度补偿之例。

                   

  

图2 中红线表示用Frac-N PLL 电路进行温度补偿后的温度特性。如上述所示,硅谐振器单元的温度特性因其材料性质而呈线形,因此能够以简单的补偿公式进行温度补偿。但是,与石英晶体振荡单元的温度特性相比,其变化量非常大,所以不能进行模拟式的温度补偿。因此,全硅MEMS振荡器按照使用的温度范围进行细分,针对各温度范围转换不同的分频比,使用Frac-N PLL等数字电路进行更精密的温度补偿。然而,在转换分频比时有可能产生图2 所示的间断性频率跳动的情况,振荡频率在不连续的温度点的输出信号相位出现变化,使噪音与抖动特性遭受不良影响。无线通信设备基于相位调制技术进行通信,若在无线通信设备中使用硅谐振单元,则无法在产生噪音时准确调制,导致不能进行正确的数据收发。
 
使用石英晶体振荡单元的振荡器无需温度补偿也可应对较宽的温度范围,并且没有使用进行温度补偿的锁相环电路(在使用锁相环电路改变分频比的产品中也仅限于波源)。因此,它可以保持石英本身所具有的针对温度变化而相对稳定的温度特性,即不出现频率间断性跳动的情况。这就不会对噪音和抖动造成不良影响,刚才所提到的无线通信设备中的问题的发生可能性极小。当然,硅谐振单元也可以通过尺寸管理、改换电极材料等方法个别进行温度补偿,而只改变初始值的分频比。但这将导致全硅MEMS 振荡器生产效率下降、单价上升的后果,有损于其自身优势(晶圆一次性处理所产生的高产效和廉价等)。
 
总结篇
 
 以上讨论了硅振荡器和石英晶体振荡器在电气性能上的优劣势,硅振荡的核心在于其使用了锁相环电路对某一特定频率进行倍频,而为了弥补硅谐振的温漂大的问题,电路采用了温度补偿。石英晶体振荡器在市面上同样有可编程(烧录)石英振荡器和传统的不可编程的石英振荡器。可编程的石英振荡器,与MEMS硅振荡器在电气性能差不多,但在使用时,会有提示:不建议使用在通信行业,如电信载波、模拟视频时钟等行业。”
传统、不可编程的石英晶体振荡器,振荡输出频率来自石英晶片(谐振器单元),利用石英高Q值的特点,不采用倍频技术,对高输出频率,采用石英所特有的振荡模式---泛音次数,来达输出稳定的高频频率,可用于通信行业。对于高端的用途,可以使用石英材料的TCXOMCXOOCXO等。
鉴于当前电子产品的发展趋势,将使用更多的石英晶体振荡器和MEMS硅振荡器。在这种变化潮流之中,我们认为特性稳定的石英晶体振荡器的需求更高。用户在选择电子部品时需要充分理解元件特性并基于用途进行选择,再综合考虑产品的交期和价格。石英晶体振荡器和MEMS硅振荡目前在市场上同时存在,它们都属于有源振荡器范畴。对于目前竞争激烈的电子产品市场,企业对产品成本压力较大。对此,选择石英晶体谐振器(无源晶振),将大大降低企业的产品成本。对于无源晶振电路匹配难的问题,星通时频(SCTF)技术部,将提供技术支持,工程师提供现场解决方案等技术服务。
 星通时频(SCTF)将不断充实石英元器件产品阵容,提供高可靠的产品,以回应顾客需求。                   

 

 
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