硅与MEMS振动器正在参加到高度分化的振动器商场中石英晶体与陶瓷谐振器的队伍。挑选正确的运用器材不需求水晶球，不过一些相关现实会有所协助。
提示
·陶瓷谐振器的精度为1%至0.1%，与之比较石英晶振为1ppm（百万分之一）至100ppm，硅器材为1.5ppm至100ppm。
·与陶瓷器材比较，硅与MEMS（微机电体系）振动器更能接受冲击，而且能装入更小的封装。
·石英振动器要花较长的起动时刻，不过一般功耗低于其它品种。
·任何一种振动器的功耗都依赖于输出负载。
振动器就像电子体系中的电源相同无处不在，有人以为它们的重要性等同于电源，在任何需求时序信号的东西中都能发现它们的运用，从数字手表到电视和PC。因为它们在电子设备时序中扮演重要人物，它们的失效会导致整个体系的停机。例如，查询人员通过剖析1972年加州Fremont火车撞车事端，发现原因是一块控制板上的晶振毛病。晶振储能电容取值不妥，使晶体过驱，器材跳入一种泛音振动频率。所以，火车进站时没有减速缓行而是加快，形成了多人受伤的撞车事端。鉴于这种问题，许多工程师不再运用纯晶体作自己的振动器。他们转而挑选市售的制品，其封装中包含了扩大器、储能电容和其它元件。
悉数数字设备都需求时钟源，如硅与MEMS（微机电体系）振动器、石英晶体或陶瓷诣振器。例如，电信与服务器的一块PCB（印制电路板）上就或许需求十几种时钟。规划者完结传统时钟源时选用的是石英晶体振动器，但MEMS和纯硅振动器正在这个高度分化的商场中取得立足点。别的，精度不高的振动器也选用陶瓷资料，如锆钛酸铅。运用推进着一种技能的适用性。例如，假如你需求一个精度优于1ppb（十亿分之一）的时钟源，则有必要抛弃MEMS而运用原子振动器材，如铷时钟或铯时钟源。这些器材有1ppt（万亿分之一）的精度。例如，GPS（全球定位体系）卫星需求这种精度来坚持与体系其它部分的同步（图1）。
在精度谱的另一端是粗陋的陶瓷谐振器。这些器材的精度丈量要用百分数，因为用十亿分之一作单位得到的数值过于巨大而难以运用。一只陶瓷谐振器的典型初始精度在0.5%至0.1%规模内，老化或温度改动所形成的的漂移或许改动这一区间。因而，廉价陶瓷谐振器的公役只要±1.1%，较高端的轿车与商务产品精度则分别为±0.25%和±0.3%。这些公役较严厉陶瓷谐振器的方针是商用USB（通用串行总线）2.0电路及轿车CAN（控制器局域网络）总线运用，作业温度为？40°C至+125°C。频率为200kHz至约1GHz的低本钱陶瓷谐振器适用于对时序要求不严厉的嵌入体系。陶瓷器材起动较快，一般体积小于石英器材。它们也更能接受冲击与振动。供给陶瓷谐振器的制作商有Murata、Oscilent、AVX、TDK和Panasonic等。
关于运用UART（通用同步/异步收发器）的数字体系，应对其作差错预算（error-budget）剖析，以保证从谐振器频率得到的波特率契合规范要求。假如你只在代码开发期间运用UART，则能够在制作期间转而选用陶瓷谐振器，以节约本钱。
留意，有些硅振动器要运用RC（电阻/电容）或LC（电感/电容）储能器材，而不必陶瓷或石英晶体。这些振动器随不同的价格而有广泛的精度规模。意法半导体等公司制作的这类振动器具有陶瓷谐振器的悉数长处，而体积更小，价格更低。该公司产品营销工程师LouisGrantham称：“硅振动器的要点在于它比软弱晶体更强健。此外，晶体的可制作性要比IC更困难。”
从石英起步
石英振动器选用一种压电资料振动晶体的机械共振办法，树立一个有精细频率的电信号。该频率一般用于盯梢时刻，如石英手表中的频率；为数字%&&&&&%供给安稳的时钟信号；以及安稳射频发射机与接收机的频率。自上世纪20年代起，工程师们就开端将这些晶体用于树立射频频率，其时贝尔电话实验室的 AMNicholson和Wesleyan大学的WGCady教授一同研讨酒石酸钾晶体，他们发现了一个驱动电路中石英晶片的谐振反响。不过在二战曾经，研讨人员还没有研讨出大批量制作的办法。假如在一块石英晶体上以相对晶格点阵正确的视点切开出振动器元件，则能够消除温度的效应。有些切开晶体具有零温度系数，而LC切开则用于温度计（图2）。
因为你是从一种矿藏得到石英晶体，不要假定一个石英振动器是低技能性器材。今日石英晶体的制作商都选用大型反响炉（或高压釜）作石英晶体的成长，运用高温文30000psi（磅每平方英寸）以上的高压（图3）。石英晶体在一个高压釜中的成长要花数月时刻，任何地震活动或加热器供电上最细小的降级或丢失都会销毁整个批次。一家日本公司NDK已有几十年制作石英晶体的前史，现在伊利诺伊州的Belvidere具有高压釜。根据上述原因，该公司决定在中西部开设新工厂，因为那里电网的可靠性很高，而且地震发生率很低。
该公司事务与运用开展总司理CraigTaylor称：“咱们将石英矿置入一个大型容器内，该容器选用了军舰主炮的技能。然后，咱们将种子石英放在石英矿上方的筐内。参加（碳酸钠或氢氧化钠）电极并施以高温高压，一切的天然石英就都分化并向上搬迁。它自己会附着于种子石英上，而各种脏物与杂质则留在容器的底部。”
参加扩大与缓冲就使一只晶体成为一个XO（晶体振动器）。添加温度补偿电路就得到一个精度为1ppm（百万分之一）的TCXO（温控晶体振动器），将整个振动器置入一个控温的封装中，就得到一个OCXO（恒温晶体振动器），精度可达十亿分之一区间。一个有1ppm精度的30MHz振动器，随时刻与温度改动的差错只要30Hz。只要铷和铯原子钟才更精准，首要原因是原子振动源与温度无关。有些公司还供给PXCO（可编程晶体振动器），你能够写入芯片中的数字寄存器，调整频率。
Pericom公司产品营销司理NancyZhang表明，给一个晶体添加PLL（锁相环），就能以低于石英晶体的本钱得到更高的频率。该公司高档营销总监KayAnnamalai以为一个三次泛音晶体只能发生150MHz频率。当需求超出该频率时，规划者一般会加PLL。他描绘了Pericom的一种不必PLL完结倍频的专利技能。这种办法相同可下降晶体本钱，而且也改进了颤动特性。该公司的XP技能防止运用PLL，而频率可超越150 MHz。
Epson ElectronicsAmerica公司总监CS Lam以为PLL也能够前进功能。Lam指出，该公司运用分数PLL电路完结了优于10ppm的精度。他还指出，第一款在12kHz至20 MHz区间内相位颤动低于1ps-rms的PLL晶体振动器呈现于2004年。
添加PLL亦能够通过电控修改作业频率，有助于契合FCC（联邦通讯委员会）和CE（欧共体商场规范）的辐射规范。当PLL改动时钟频率时，EMR（电磁辐射）或EMI（电磁搅扰）的高振幅尖峰将辐射涣散到一个频段中。留意该技能并没有下降辐射量；而仅仅将其扫过一个频段，使能量丈量仪器取得一个较低的读数。EMI留出了频谱剖析仪的丈量带宽，减少了丈量读数，能协助你的产品通过契合性测验。
扩频时钟亦在振动器挑选中扮演着一种人物。它有两种广泛的运用：计算机与通讯中的电源和体系时钟。电源能够运用最多改变10%的振动器，将能量分布在一个宽频带上，大大下降丈量值。这些设备选用了环形振动器或LC储能，不需求石英级的精度。振动电路的PLL部分用硅振动器的输出来树立扩频时钟。与其它纯硅振动器相同，这些器材更能接受冲击，并有更快的上电起动时刻。因为LC储能器或环形振动器有低得多的Q（质量）值，优于任何石英晶体或MEMS振动器，或许你会以为硅振动器的振动坚持要花更多的能量。可是，它只需求毫瓦级能量，因为振动器中的功耗取决于PLL以及温度补偿电路的工艺与架构。
扩频时钟的另一个运用是颤动或噪声所占百分比较少的数字体系。它们有必要坚持严厉的时序，但乃至少数的扩频时钟就能够使一块体系板通过FCC测验。Pericom公司的Annamalai指出，扩频时钟特别适用于存储子体系。他说：“存储器有越来越快的趋势，因而你会期望涣散这种单一频谱。”该公司运用的是 Hershey’s Kiss扩展数据曲线，这一称号取自盛行的巧克力。
Lexmark公司发现并申请了这种数据曲线的专利。要了解这种呼应曲线，想象一个正弦频率正在对体系时钟的作业频率作调制；振动器花费在两头频率的均匀时刻将大于两头之间的时刻。换句话说，时钟会在频率区间的外鸿沟处逗留，正弦调制在此处缓慢改动方向。这种改动发生了“蝙蝠耳”式频域数据曲线（图4）。运用了Hershey’s Kiss波形后，制作商能够消除蝙蝠耳，使你的体系通过FCC测验。
Pericom选用高Q源低颤动的石英作为体系时钟。通过这种晶体与高功能低颤动PLL的结合，该公司供给一种扫频振动器，它耗费能量最低，并结合了石英与硅的长处。
挑选振动器时的另一个考虑要素是功耗。
新式公司MobiusMicrosystems供给一种纯硅振动器，它供给挨近石英的精度、快速起动，以及高的耐受冲击才能。不过，该公司的完结办法是使硅储能电容运行在高频下，然后作分频，所以功耗高于石英器材。不过，硅工艺与硅规划技能正在快速前进，因而硅振动器的各种规范简直都应很快得到改进。
SiliconLaboratories是另一家在硅技能上抢先的公司，它一起制作纯硅振动器，以及为石英晶体合作PLL的器材。这些器材的精度适合于低端晶振。该公司时序产品营销总监MikePetrowski称：“无需运用机械式振动器是终究愿望。假如消除了机械式振动器，就能够前进可靠性、简化制作流程，并易于大批量出产。”Petrowski坚持以为硅振动器不会耗费过多能量，因为他们选用温度补偿办法去取得精度，而不是对较高频率作分频的 PLL。
留意硅振动器能够有许多含义，例如它是一个可代替陶瓷谐振器的廉价器材，以及质量可与石英相媲美的器材。必定要对功耗作评价，以保证运用的技能适合于自己的运用。要留意一些纤细之处，如石英晶体或MEMS振动器会在上电起动的数毫秒内拉入更多电流。关于微功耗运用或需求不断起动和停机的运用，这种超量电流或许会发生问题。
除了精度和功耗以外，振动器的另一个重要规范便是颤动，或相位噪声，它会随频率而逐周期地改动。例如，一款安稳器材或许在一个周期作业在1MHz，而在下个周期作业在2MHz，均匀频率为1.5MHz。可是，这种循环频率的巨大改动或许在大都运用中使器材无法运用；一个开关电源或许不会作业在这么宽的规模内，而一个PLL很难确认这种高颤动的频率源。任何选用这种振动器的体系都不或许包含ADC或DAC，因为频率的改动会销毁数字处理，即便均匀频率是安稳的。因而，许多公司的振动器规划小组都在公司的模仿部分。PLL是一种模仿元件，许多规范（如颤动）对模仿电路都很重要。
虽然颤动与相位噪声分别是时域和频域表述，据Linear Technology公司信号调整产品规划部主任DougLaPorte的说法，在相同条件下，很简单将颤动规范作出过错表述。他说，有些公司仅在某个频率规模上确认颤动的规范。这些公司供给的相位噪声图或许只包含特定数量的相位噪声，而疏忽了噪声的其它位。SONET（同步光纤网络）这类光通讯规范会传输，作PLL，然后再传输。循环有一个规划带宽，使体系回绝循环外的相位噪声，而答应循环内的噪声。LaPorte指出：“［这些制作商］ 给出的规范为20kHz到10MHz。超出这个他们就不关怀了。”
在五年曾经，任何振动器中PLL的存在都对规划的颤动功能有负面效果。SiliconLabs的Petrowski称，该公司曩昔忧虑旧式PLL的不良名声。他说：“当咱们推出自己根据PLL的振动器时，咱们都忧虑会有一些负面含义。咱们对这些器材作了许多研制作业，并申请了许多专利，做一个低颤动 PLL是肯定有或许的，特别是在更精细的IC标准下。”
一款PLL的特性及其模仿滤波、相位检测和VCO（压控振动器），在电路的各个点都引起更多颤动。曩昔五年来，规划者开端选用打线作为IC上的小型导体，代替IC片芯上涣散的空间导体。现在，%&&&&&%规划者能够用电感和%&&&&&%作为电抗元件，滤波器与储能电路都能够有更高Q值，有更多的极性和零点。
例如，MaximIntegrated Products公司在自己的规划中选用根据LC的振动器，而不是环形振动器。该公司精细振动器事务司理Paul Nunn表明：“环形振动器要比LC型振动器有更多的颤动。”许多公司选用这些高质量的PLL，因为他们能够使振动器有可调频率和低颤动。这些公司包含 Pericom、Silicon Labs、SiTime、安塞美半导体公司与Fox Electronics。
MEMS器材
MEMS振动器也用于石英振动器的扩大器，或许还有PLL，但它选用的是振动的小型硅质量，而不是石英晶体。这种计划有更好的MTBF（均匀毛病时刻）、抗冲击性以及可靠性。
例如，SiTime营销副总裁Piyush Sevalia说，对硅作JEDEC（联合电子器材工程委员会）与HTOL（高温作业寿数）测验，可得到5亿小时MTBF，而石英只要1000万至 3000万小时，而且，虽然1kHz振动在石英振动器的颤动特性中很简单表现出来，但MEMS和硅振动器都对这种振动不灵敏。MEMS器材谐振在一个基频上，这种形式下意外振动不会调制。可是，MEMS和石英振动器的起动速度慢于纯硅振动器。
制作MEMS振动器的一个应战是坚持振动硅元件的原子级洁净。即便振动臂上有一个原子厚的层，也会形成器材规范失效，制作商用各种办法来战胜这一应战。例如，Discera运用 “getter”活性吸气资料，去除在器材生命周期中吸收的任何气体或资料痕迹。另一方面，SiTime则选用了Bosch公司首先开发的一种技能。
SiTime并未在MEMS元件上掩盖玻璃或环氧罩，而是在一个玻璃模型中树立起硅臂，用多晶硅掩盖模型，再用氢氟酸将玻璃溶解。然后，该公司用一层更厚的多晶硅将臂密封起来。一切作业都在一个外延反响堆中完结，这个高度真空的半导体设备有地球上最洁净的环境。这种特别工艺使SiTime能够供给质量与石英振动器相匹敌的产品。该公司的产品将一种MEMS谐振器片芯和一个CMOS片芯整合在一个封装内，比石英振动器更小也更薄（图5）。
Discera 和SiTime两家公司的振动器都是全可编程产品，因为它们集成了PLL。Discera还供给一种不到500美元的工具包，包含一个手持编程器和200 个器材；编程器连接到计算机的USB端口。Discera公司销售与营销副总裁GerryBeemiller称，用这个工具包能够树立起1MHz至 150MHz频率的高精度振动器。反之，SiTime则在推销快速周转概念，而不是现场编程才能。因为它选用的是无石英工艺，因而宣称它能够在数天内供给作业于恣意频率的器材。
在数据收集数字体系中，准确无误的时刻永远是要害。假如功能稍微不良的陶瓷谐振器时基或低功能的硅振动器不能满意你的需求，那么能够从整个石英技能系列产品中挑选一款器材。为Silicon Labs公司的高功能硅振动器和SiTime与Discera的MEMS振动器添加了这些挑选后，你会看到振动器的挑选十分要害。要了解一切的权衡要素，包含精度、功耗、颤动和可编程才能，以及任何扩频需求。要记住，假如你未能通过FCC测验，为电源或体系时钟挑选一种扩频振动器总是可取的办法。这种状况总是呈现在最糟不过的时分：合理你准备好交给产品时，具有一款可代替固定振动器的高档品总是一个很好的稳妥办法。通过对一切这些要素的权衡，并理解它们怎么与运用需求相匹配，挑选振动器就应成为一种明理解白的作业。
