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晶体替代新技术——硅频率控制器详解

上网日期: 2011年08月26日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:晶体? 硅频率控制器? SFC?

引言

晶体的主要组成部分是二氧化硅,俗称石英。石英具有非凡的机械和压电特性,使得从19世纪40年代中期以来一直作为基本的时钟器件。如今,只要需要时钟的地方,工程师首先想到的就是晶体,但是随着应用的不断深入,晶体的一些固有的缺陷也随之暴露出来。如今新技术不断涌现,并带来很大的变化。

晶体的特点及参数

封装

晶体的封装如图1所示,有三部分组成:金属上盖,带有电极的石英片和陶瓷底座。一般来说,还需要向密封壳内充氮气。

晶体替代新技术——硅频率控制器详解(电子工程专辑)
图1.晶体封装图

现在几乎所有的陶瓷密封装都是由三家日本公司提供,但是由于日本地震和海啸,产量严重受影响。今后很长一段时间将难以满足市场需求。

石英材料

石英以其固有的压电特性成为晶体中的主要部分。但是它必须经过切割打磨才能使用,由于其厚度非常薄,虽然采取了保护措施,但是其抗震性一直是大家所担心的。

精度

所谓精度就是实际的时钟频率偏离标准时钟频率的程度。用公式表示为:

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

Error:精度

Factual:实际频率

Ftarget:标准频率

PPM:百万分之一

在晶体的应用中,有这几个方面需要考虑:

1)频率公差:就是在通常的环境温度下(25℃±5℃)实际频率偏离标准频率的值。

2)频率温度特征:就是在整个温度变化范围内,实际频率偏离标准频率的值。现在通常有三种温度范围:0℃--70℃,-20℃--70℃和-40℃--85℃。

3)老化:晶体的内部特性随着时间的推移发生变化引起的频率的偏差,称为晶体的老化。一般来说,第一年晶体的精度受老化的影响为5PPM,以后每年大约为1-3PPM。如果一个产品的设计生命周期为10年,则老化带来的频率精度变化最高可达32PPM。

4)负载电容精度变化引起频率的变化:这个因素往往容易被忽视。在晶体的应用中有两种工作模式,串行振荡模式和并行振荡模式。由于并行模式设计灵活并且有很高的输出精度,现在已成为市场主流。 图2是并行振荡模式的等效电路图:

晶体替代新技术——硅频率控制器详解(电子工程专辑)
图2.并行振荡模式等效电路图

R1:动态阻抗

C1:动态电容

L1:动态电感

C0:静态电容

CL:负载电容

并行振荡模式的频率可根据以下公式:

FL=[1/2π√(L1*C1))]*√[1+C1/(C0+CL)]

其中[1/2π√(L1*C1))]是晶体串行振荡模式的频率

根据泰勒展开:

FL=[1/2π√(L1*C1)]*[1+C1/2(C0+CL)] (1)

从公式中可以看出,频率与C0,C1和CL都有关。


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