【技术】晶体振荡器和硅振荡器的优劣对比

时间： 2016-06-25 来源：星通时频

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对大多数微控制器的时钟要求而言，硅振荡器是一种简单而有效地解决方案。与晶体振荡器不同的是，硅定时器对于震动、冲击和电磁干扰EMI不敏感。此外，硅振荡器不需要外接匹配定时元件或严格的电路布线要求。时钟噪声受许多因素的影响，包括放大器的噪声，电源噪声，线路板布线，以及振荡元件固有的噪声抑制特性等。晶体的Q值很高，一般而言产生的噪声最小，特别适合用于要求低基带噪声的系统中。然而，硅振荡器占据的空间最小，而且不需要外部附加定时元件。对于大多数硅振荡器来说，所需的外部元件通常只要有一个电源旁路电容即可。

晶体谐振器大多数被用在皮尔斯振荡器中，其中晶体或谐振器作为调谐元件用在反相放大器的反馈中。为了使电路稳定，需要另外加电容和电阻来进行相位补偿和增益控制。此外，还需要用电阻提供一定的阻尼，以防止过驱动造成晶体或谐振器永久损坏。

图1：皮尔斯振荡器的典型晶体振荡电路

上图给出了皮尔斯振荡器的典型晶体振荡电路，使用外部电容和电阻。设计中的每一个元件的值与工作频率、供电电压、反相器的类型、元件类型（晶体或谐振器）以及制造商有关。皮尔斯振荡器最常见的实现方法是用一个COMS非门做为放大器。虽然这种方案的稳定性和功耗性能通常比不上基于晶体管的的振荡器，但是基于CMOS反相器的电路比较简单，而且在许多情况下非常实用。带缓冲和无缓冲方向其都能用于放大元件，其中首选无缓冲的反相器，因为他们工作得更稳定，虽然也伴随着功耗的增加。无缓冲门没有强大的输出级，所以要驱动电路版上的长走线时必须使用标准反相器加以缓冲。

硅振荡器，这种完全集成的振荡元件是最简单的时钟源。这些器件可以产生规定频率的方波，可直接送入微控制器的时钟输入引脚。硅振荡器并依赖于机械共振特性来获得振荡频率，而是基于一个内部的RC时间常数，这样的设计使硅振荡器对于外部机械作用不敏感。而且，与传统振荡器不同的是没有裸漏在外的高阻抗节点，这样使硅振荡器可以承受更大的温湿度和EMI影响。如果使用硅振荡器代替晶体振荡器，首先可以去掉和振荡电路相关的所有元器件。这通常包括一个电阻和两个电容。硅振荡器可以安装在适当的位置，然后将其时钟输出引脚引入微控制器的时钟输入引脚。

MEMS硅谐振单元与石英晶体谐振单元的比较

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至-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。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 至-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IC的CMOS晶圆工艺相关。

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。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。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：

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。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。