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细说石英晶体振荡器单元和谐振单元的比较

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浏览:- 发布日期:2018-09-04 17:41:51【
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世界上各种电子元件都需要电子元件来提供基准信号和功能,这是不变的定律,当然这也是为什么电子元件制造商层出不穷的原因,并且这是一个永不会的被淘汰的行业,至少对于现在来说是比较吃香的行业.

各种电子设备需要基准信号。为获得基准信号可以使用石英晶体振荡器,也可以通过其它元器件,例如LC振荡器、CR振荡器、陶瓷振荡器或全硅MEMS振荡器等。LC振荡器利用电感(L)和电容(C)组合后产生的谐振现象起振频率;CR振荡器使用电容(C)和电阻(R)所构成的充放电电路起振基准频率;陶瓷振荡器则使用以锆钛酸铅(PZT)为主要材料的压电陶瓷;而全硅MEMS振荡器则是应用了MEMS(Micro ElectroMechanical Systems,微机电系统)加工技术的硅基振荡器。从以上列举的多种类型的振荡器中选择时应当基于用途进行。

通常用于微机时钟信号等情况时,其频率较低且频率精度要求也不太高,所以经常使用具有低价特征的陶瓷振荡器。陶瓷振荡子的振荡频率约为200kHz-100MHz,室温条件下的频率公差一般在0.1%-0.5%左右。它虽然具有价格低廉之优势,但振荡频率随温度的变化大,且精度低,综合性的频率稳定度约为±1.1%。无线通信设备等要求振荡器具有高频和高频率精度的特征,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。但是,种类各异的振荡器因其起振方式的不同而在性能方面存在着根本性的差异。本篇就不同类型的振荡器的特征进行解说。

振荡单元和谐振单元的比较

产生基准信号的振荡器中使用的振荡单元和谐振单元有很多种类,例如利用对压电晶体施加电压而产生机械应力的现象(逆压电效应)的压电驱动型,或者利用施加高电压时产生的静电的静电驱动型等。振荡单元和谐振单元的特性与其使用的材料、结晶或电路性质有着密切的关系。

爱普生所提供的是石英晶振部件。《序文》中已经提到存在着各种类型的振荡单元和谐振单元。表 1 汇总了一般特征。我们将在下文中说明各自特征。

表 1:各类振荡单元、谐振单元特性比较】

细说石英晶体振荡器单元和谐振单元的比较

【1-1】 LC 谐振单元

LC 谐振单元的谐振电路名副其实由电感(L)和电容(C)组成。它比较适用于需要较高频率和较宽频率可变范围的用途。与此相反,它的精度和稳定度并不出色。

而且,它在低频条件下需增大电感才能满足谐振条件,导致不得不使用较大的线圈,因此不适于小型化。如果需要小型化,也可以改为不使用电感的 CR 谐振电路,但这又引发了难以应对高频的问题。

【1-2】陶瓷谐振单元

《序文》中介绍的陶瓷谐振器单元使用的是以锆钛酸铅(PZT)为主要材料烧结而成的压电陶瓷。它的精度优于 LC 振荡器,但初始频率公差较大(约±0.5%),所以经常被用于频率较低且频率精度要求并不太高的应用领域。

它的温度特性随陶瓷烧结材料的成份组合而变,因此能够灵活应对。相反,材料组合成份的微小误差或生产工

艺中的差异将导致产品特性不均,由此被认为极难保证产品均一性。

陶瓷谐振单元的特征中尤为突出的是上升时间快。虽然上升时间将受振荡电路中的元器件的影响,但一般情况下,当频率越高、负载电容越小且谐振单元的 Q 值越低时,起振速度越快。如表 1 所示,陶瓷谐振单元的 Q值与石英和硅相比较低,因此它在上升时间方面相对有利。基于上述因素,陶瓷谐振器多用于不太注重精度,但要求上升时间快的应用领域。

【1-3】硅谐振单元

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 至-30ppm/℃的范围内呈线形,变化量随温度而增因此,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。

【1-4】石英晶体振荡器单元

最后所述的石英晶体振荡器单元将石英(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。只从振荡单元来看,可被誉为具有极高精度的部品。

综上所述,我们在决定使用的振荡器时应当根据各类型的特征而选择符合用途的产品。在下一章中,我们将说明使用硅谐振单元的振荡器(全硅MEMS晶振)与使用石英晶体振荡单元的振荡器的区别。

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