晶体(crystal)和晶振(oscillator)的区别

发布时间 2023-10-11 14:22:08作者: Raspberryhulu

1. 晶振与晶体的区别

1) 晶振是有源晶振的简称,又叫振荡器。英文名称是oscillator。晶体则是无源晶振的简称,也叫谐振器。英文名称是crystal.

2) 无源晶振(晶体)一般是直插两个脚的无极性元件,需要借助时钟电路才能产生振荡信号。常见的有49U、49S封装。

3) 有源晶振(晶振)一般是表贴四个脚的封装,内部有时钟电路,只需供电便可产生振荡信号。一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式。

2. MEMS硅晶振与石英晶振区别

MEMS硅晶振采用硅为原材料,采用先进的半导体工艺制造而成。因此在高性能与低成本方面,有明显于石英的优势,具体表现在以下方面:

1) 全自动化半导体工艺(芯片级),无气密性问题,永不停振。

2) 内部包含温补电路,无温漂,-40—85℃全温保证。

3) 平均无故障工作时间5亿小时。

4) 抗震性能25倍于石英振荡器。

5) 支持1-800MHZ任一频点,精确致小数点后5位输出。

6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多种工作电压匹配。

7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各种精度匹配。

8) 支持7050、5032、3225、2520所有标准尺寸封装。

9) 标准四脚、六脚封装,无需任何设计改动,直接替代石英振荡器。

10) 支持差分输出、单端输出、压控(VCXO)、温补(TCXO)等产品种类。

11) 300%的市场增长率,三年内有望替代80%以上的石英振荡器市场。

晶振,大家并不陌生。他是名副其实的电路的“心脏”,我们的处理器、存储、模数转换等芯片,都依赖于其输出的精准时钟源信号而工作。

长久以来,我们习惯于石英晶振。也同时承受着石英晶振的温漂、品质不统一、抗震性差、交货周期长等问题。而这一切,我们需要从石英的生产制程上说明。我们先把石英晶振剖开来看一看。

大体上石英晶振分为上盖、基座、导电胶、晶片,如果是有源的话,还需要一颗起振IC。而这里面石英工厂要做的只是切割石英晶片,购买上盖、基座、导电胶、起振IC,然后组装在一起。

整个过程包括切割、打磨、镀银、组装、测试等,大概需要23步流程,其中包括关键的开盖组装部分,存在高污染的可能。复杂的流程工艺,而且存在大量的人工参与,所以石英晶振的不良率(DPPM)在百万分之50-150之间(此数字SiTime MEMS硅晶振小于百万分之0.1)。

下面我们来讲一下石英切割。石英晶片的切割与频点是一一对应的关系,也就是说不同的频点,对应的石英晶片的大小、厚薄都是不一样的。而且采用不同的切割方式,石英晶片所表现出的高低温特性是不一样的。比如常用的AT切,可提供相对较好的温度特性,但对机械应力较为敏感(如下图为AT切石英晶片温度特性)。

采用AT切,温度在+27度以上、-10度以下会产生比较大的漂移。这也是为什么石英晶振都会有温漂这个参数。而MEMS硅晶振则在全温范围内无温漂问题。

综上,石英晶振最早产生于1920年代,近百年的发展历史,但依然存在如下问题:
1、温漂(高低温与常温频率特性漂移)
2、品质不一致(半自动化半人工生产,品质与管理有最直接的关系)
3、抗震性差
4、生产周期长,紧急交付不灵活

MEMS 硅晶振正是在此条件下而生。半导体发展到今天,微电子技术已经得到了长足的发展。而晶振则是需要机械震动体,(石英晶振之初也是因为其压电效应的机械震动频率稳定性优于RC振荡),所以MEMS技术(微机电技术)的发展也孕育了MEMS硅晶振的半导体化。

MEMS硅晶振的核心一个是MEMS谐振子技术,直白些说就是以硅(Si)为原材料,采用MEMS工艺的一个微机械振动结构,可以产生稳定的振动频率。

还有一个是CMOS晶圆,半导体技术。对频率进行保持、编程、驱动、补偿等,以确保得到我们想要的1-725MHZ且精确到小数点后面6位的任一频点。

其工艺采用标准的半导体生产工艺,采用德国BOSCH的MEMS Wafer及台湾TSMC的CMOS Wafer, 封测在台湾ASE及马来西亚的Carsem。

最后值得一提的是,SiTime 产品可通过专用的编程设备对CMOS内部的PLL进行编程.SiTime中国区样品中心通过备全系列空白片库存,可24小时内提供符合客户需求的时钟产品,并可支持研发前期的小批量试产供货。

 

一般接crystal内部的芯片电路,原理上就是一个非门电路;非门在微观电路上可以看成一个增益个别大的放大器;接一个电阻;你可以看作是反馈电阻;它的作用是让震荡器更加稳定的工作。
这个电阻是为了使本来为逻辑反相器的器件工作在线性区, 以获得增益, 在饱和区是没有增益的, 而没有增益是无法振荡的. 如果用芯片中的反相器来作振荡, 必须外接这个电阻, 对于CMOS而言可以是1M以上, 对于TTL则比较复杂, 视不同类型(S,LS...)而定. 如果是芯片指定的晶振引脚, 如在某些微处理器中, 常常可以不加, 因为芯片内部已经制作了, 要仔细阅读DATA SHEET的有关说明。
晶振旁的电阻
(并联与串联)
一个晶振电路在其输出端串接了一个22K的电阻;在其输出端和输入端之间接了一个10M的电阻;这是由于连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器;将输入进行反向180度输出;晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移;整个环路的相移360度;满足振荡的相位条件;同时还要求闭环增益大于等于1;晶体才正常工作。
晶振输入输出并上电阻作用是产生负反馈;保证放大器工作在高增益的线性区;一般在M欧级;输出端的电阻与负载电容组成网络;提供180度相移;同时起到限流的作用;防止反向器输出对晶振过驱动;损坏晶振。
和晶振串联的电阻常用来预防晶振被过分驱动。晶振过分驱动的后果是将逐渐损耗减少晶振的接触电镀;这将引起频率的上升;并导致晶振的早期失效;又可以讲drive level调整用。用来调整drive level和发振余裕度。

Xin和Xout的内部一般是一个施密特反相器,反相器是不能驱动晶体震荡的.因此,在反相器的两端并联一个电阻,由电阻完成将输出的信号反向 180度反馈到输入端形成负反馈,构成负反馈放大电路.。
并联M级电阻作用
1.配合IC内部电路组成负反馈;移相;使放大器工作在线性区。
2.降低谐振阻抗;使谐振器易启动。
3.电阻取值从100k-20M都可以正常起振;但会影响脉宽比。
串联K级电阻作用
1.和晶振串联的电阻常用来预防晶振过驱;限制振荡幅度。
并联在晶振上的两颗电容一般取值为20-30pf左右;主要用于微调频率和波形;并影响幅度。