谈谈振荡器

2009年05月14日 21:05    李宽
关键词: 振荡器
多年来,鉴于其高Q值和稳定的温度特性,石英晶体振荡器已成为消费、商业、工业及军工产品的重要时钟源。自2000至2001年的互联网市场衰退之后,石英晶体与晶体振荡器的需求每年以4%~10%的速度稳步增长。

2008年,石英晶体振荡器的市场规模超过41亿美元。而这一年正是石英振荡器诞生90周年。在我们身边的几乎所有便携式与固定电子设备中都能找到这些石英晶体及晶体振荡器,其中一个很好的范例就是手机。

在早期,典型的GSM手机有四套不同的压电式频率控制与发生元件:射频声表面波(RFSAW)滤波器(900MHz~2GHz,采用压电式钽酸锂或铌酸锂),用于天线与收发器芯片组之间滤波的发射与接收;如果采用超外差下变频,则具有中频声表面波(IFSAW)滤波器(50~400MHz,主要采用石英);温度补偿晶体振荡器(TCXO)(13/26MHz,采用石英晶体),在收发器合成器中作为时钟参考用于信道化;音叉(32.768kHz,采用石英晶体)用于基带部分的备用定时。



后来,直接变频技术的成功研发淘汰了许多GSM手机里的中频声表面波滤波器。几年前,具有片上数字补偿晶体振荡器(DCXO)电路的GSM收发器芯片组不再需要TCXO。然而,它仍需要片外的石英晶体振荡器。

如今,手机似乎不再需要变得更小,因为它们已经相当小了。事实上,一些手机正在变大,以提供消费者所需的更多功能,如多频带、多模式、数码相机、数码摄像机、MP3、GPS、因特网接入、蓝牙数字电视等。

与早前认为的片外石英晶体、晶体振荡器,SAW元件的需求随时间推移将越来越少的设想正好相反,如今,手机具有更多这些元件,需要石英音叉、石英晶体振荡器、晶体振荡器、压控晶体振荡器(VCXO)、TCXO与射频声表面波/薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器/双工器。虽然这些元件的独特制造与封装要求使得它们几乎不可能被集成到了成熟的硅基集成电路(IC)平台中,但它们已经变得非常小,并且能够提供良好的频率控制和发生功能,以满足手机设计人员日益严格的要求。

在有线与无线市场迅猛增长的推动下,石英晶体及其高频版SAW器件正广泛用于各个领域,小到电子玩具中简单的无源石英晶体,大到用于最先进的电信网络骨干网定时的复杂同步定时模块(STM),如表1所示。



过去几年里,面向娱乐、游戏、便携式市场的电子设备的巨大增长,将石英晶体与晶体振荡器向越来越小型发展的需求推到了空前水平。如今兆赫兹石英晶体的体积已经小到2.0mm×1.6mm,且能够批量组装,这在几年前是难以想象的。至于带金属管封装的32.768kHz石英音叉注塑模型从多年前起就可获得。

目前,采用传统兆赫兹晶体封装方法的石英音叉可提供4.1mm×1.5mm、3.2mm×1.5mm及2.0mm×1.2mm的小尺寸型。现在正在力争将这些晶体音叉的厚度压缩至0.4mm或更薄,以达到薄型应用的要求。需要如此小尺寸石英晶体(1.6mm×1.0mm与1.0mm×0.8mm)的应用预期将在今后数年内出现,并且石英晶体供应商正为此作准备。

由于尺寸小于5mm×3.2mm,石英晶体一般需要在真空中密封以保持阻抗不受损。低兆赫小尺寸石英晶体片也需要斜削(修磨石英晶体边缘),以实现有效的能陷。

处理石英音叉中采用的光刻方法被大部分有能力的供应商应用于实现超小尺寸石英晶体与低兆赫石英晶体。该方法将会成为那些只依赖传统研磨法处理石英晶体的供应商将石英晶体进一步小型化的主要技术障碍。

至于晶体振荡器,2.5mm×2mm CMOS固定频率晶体振荡器的组装正在全力进行,且更小的2mm×1.6mm与1.6mm×1.0mm版本也处于样片或开发阶段。2.5V的供电电压如今仍然是标准配置,同时,1.8V或更低的供电电压的市场正在开始兴起。

根据工作温度范围,上述兆赫兹石英晶体与晶体振荡器在各种温度下的频率稳定性通常规定小于±25×10-6、±50×10-6及±100×10-6。因此,石英晶体是在无任何补偿情况可提供此种稳定性的唯一已知的谐振元件。

为提供更高的频率稳定性,可采用温度补偿晶体振荡器(TCXO)。AT切晶体的频率与温度为三次方关系。TCXO振荡器电路具有电压频率上拉功能,用于以模拟或数字的方式在整个温度范围内将三次方的频率温度变化补偿至低于10×10-6水平,其中补偿以非常低的频率变化梯度进行。
对于今天的手机应用而言,为了提供频率合成的精确参考时钟,需要优于±2.5×10-6的频率稳定性。对于GPS设备,需要小于±1.0×10-6或±0.5×10-6的TCXO。例如,爱普生Toyocom公司针对上述应用提供了微型TCXO(2mm×1.6mm)。

很多人并不知道,不少的石英产品(石英晶体、石英音叉和石英陀螺传感器等)是利用一些微机电系统 (MEMS)工艺步骤生产的,如光刻、金属化、蚀刻、牺牲层的沉积与去除,以及金刻蚀保护等。

实际上,与许多硅基的MEMS工艺相比,这些复杂的处理步骤,如非平面金属化方案(用于石英音叉)、抗石英晶体硬度引起的蚀刻、高度各向异性石英晶体的不同蚀刻程度等,使得石英晶体产品小型化处理在技术上更加具有挑战性。爱普生Toyocom公司在数年前为了强调石英与MEMS技术对下一代石英晶体器件的重要性,提出了“QMEMS”这个术语。

总的来说,在过去10年中,石英晶体与晶体振荡器供应商做到了将石英晶体振荡器、晶体振荡器、VCXO及TCXO的尺寸缩小至目前水平,这曾经被认为是不可能实现的,尤其是在没有降低性能或增加成本的前提下。每年越来越多的石英晶体器件被组装,成熟产品的平均售价持续下降。

该行业经过过去10年努力已经取得成功,且仍将继续发展。这包括创新、小型化、成本降低、新应用开发,以及性能、易用性与稳定性的改进。所有这些都为了保持其在电子行业中的“时钟解决方案”的地位。其推动力是提供性能最好且性价比最高的石英解决方案,从而使消费者没有理由去选择其他技术。
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