硅頻率控制器（SFC）-晶體替代市場的寵兒

引言

        晶體的主要組成部分是二氧化硅，俗稱石英。石英具有非凡的機械和壓電特性，使得從19世紀(jì)40年代中期以來一直作為基本的時鐘器件。如今，只要需要時鐘的地方，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。如今新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并帶來很大的變化。

晶體的特點及參數(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。一般來說，還需要向密封殼內(nèi)充氮氣。



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。今后很長一段時間將難以滿足市場需求。

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)過切割打磨才能使用，由于其厚度非常薄，雖然采取了保護措施，但是其抗震性一直是大家所擔(dān)心的。

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

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

Error：精度
Factual：實際頻率
Ftarget：標(biāo)準(zhǔn)頻率
PPM：百萬分之一

在晶體的應(yīng)用中，有這幾個方面需要考慮：

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：就是在整個溫度變化范圍內(nèi)，實際頻率偏離標(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。一般來說，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。如果一個產(chǎn)品的設(shè)計生命周期為10年，則老化帶來的頻率精度變化最高可達32PPM。
4） 負載電容精度變化引起頻率的變化：這個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)計靈活并且有很高的輸出精度，現(xiàn)在已成為市場主流。 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：動態(tài)阻抗
C1：動態(tài)電容
L1：動態(tài)電感
C0：靜態(tài)電容
CL：負載電容

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：
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的計算與晶體外接電容和PCB設(shè)計和材料有關(guān)。下圖是參考電路圖

圖3 晶體外接負載電容示意圖

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)計中放在晶體兩邊接地的兩個電容。CS1和CS2是寄生電容，和PCB 電路板的走線，焊盤及芯片的管腳有關(guān)。一般為5-10pF（在本文的計算中可設(shè)為8pF）。對于C11和C12，沒有確定的值（15pF-30pF），這和實際設(shè)計有關(guān)，例如取18pF。
CL如有變化，并行振蕩模式的頻率也隨之變化，請看圖4

 
圖4 負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)用場合，電容精度取5%，從上表可看出它對頻率精度的影響可達到28PPM。這在設(shè)計中容易被忽略的。

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，人們不斷探索用新技術(shù)來替代它。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)過一級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，所以沒有老化方面的問題。精度只需考慮兩個方面即可?？蓞⒄找韵卤?中的例子。晶體精度的取值請參照前文的計算。

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   
負載電容變化 +/-5% 28ppm   
其它    
總共 160ppm   100ppm

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

最簡單的設(shè)計
   
        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。

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。這對于手持設(shè)備更是一個福音。因為對于相同的電池容量，低電流意味著更長的使用時間，這越來越受到產(chǎn)品制造商的重視。

快速啟動時間 
 
        標(biāo)準(zhǔn)啟動時間是400uS。而晶體的啟動時間有時競達到10mS。更快的啟動時間可以使產(chǎn)品從上電或待機狀態(tài)迅速進入正常工作狀態(tài)。這也增強了產(chǎn)品的競爭力，在市場上占有利的地位。

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，對于不通用或者特殊頻率，可通過工廠設(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。這往往會造成晶體停振而使產(chǎn)品失效。硅頻率控制器由于沒有采用晶體，所以不會受到振動和擠壓的影響。這對于產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性工作是非常重要的。而這也是設(shè)備制造商越來越喜歡它的原因之一。另外，硅頻率控制器沒有高阻抗的輸入管腳，這樣更利于通過EMI的測試。

更好的抖動指標(biāo)

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


圖5 晶體抖動指標(biāo)實測圖

 
圖6 硅頻率控制器SFC的抖動指標(biāo)實測圖

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。并會有更小的尺寸推出。眾所周知，小封裝的晶體會大幅度增加成本。但這對于硅頻率控制器是非常容易實現(xiàn)的并可能是更少的價格。

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)生器的晶源集成進去。如果是石英，因為是不同的工藝，所以會帶來很多工藝和可靠性方面的問題。

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)