詳解硅頻率控制器（SFC）可以替代晶體的原因

晶體的主要組成部分是二氧化硅，俗稱石英。石英具有非凡的機械和壓電特性，使得從19世紀40年代中期以來一直作為基本的時鐘器件。如今，只要需要時鐘的地方，工程師首先想到的就是晶體，但是隨著應用的不斷深入，晶體的一些固有的缺陷也隨之暴露出來。如今新技術不斷涌現，并帶來很大的變化。

晶體的特點及參數

封裝

晶體的封裝如圖1所示，有三部分組成：金屬上蓋，帶有電極的石英片和陶瓷底座。一般來說，還需要向密封殼內充氮氣。

現在幾乎所有的陶瓷密封裝都是由三家日本公司提供，但是由于日本地震和海嘯，產量嚴重受影響。今后很長一段時間將難以滿足市場需求。

石英材料石英以其固有的壓電特性成為晶體中的主要部分。但是它必須經過切割打磨才能使用，由于其厚度非常薄，雖然采取了保護措施，但是其抗震性一直是大家所擔心的。

精度

所謂精度就是實際的時鐘頻率偏離標準時鐘頻率的程度。用公式表示為：

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

Error：精度

Factual：實際頻率

Ftarget：標準頻率

PPM：百萬分之一

在晶體的應用中，有這幾個方面需要考慮：

1）頻率公差：就是在通常的環境溫度下（25°C+/-5°C）實際頻率偏離標準頻率的值。

2）頻率溫度特征：就是在整個溫度變化范圍內，實際頻率偏離標準頻率的值。現在通常有三種溫度范圍：0°C--70°C，-20°C--70°C和-40°C--85°C。

3）老化：晶體的內部特性隨著時間的推移發生變化引起的頻率的偏差，稱為晶體的老化。一般來說，第一年晶體的精度受老化的影響為5PPM，以后每年大約為1-3PPM。如果一個產品的設計生命周期為10年，則老化帶來的頻率精度變化最高可達32PPM。

4）負載電容精度變化引起頻率的變化：這個因素往往容易被忽視。在晶體的應用中有兩種工作模式，串行振蕩模式和并行振蕩模式。由于并行模式設計靈活并且有很高的輸出精度，現在已成為市場主流。圖2是并行振蕩模式的等效電路圖：

R1：動態阻抗

C1：動態電容

L1：動態電感

C0：靜態電容

CL：負載電容

并行振蕩模式的頻率可根據以下公式：

FL=［1/2π√（L1*C1））］*√［1+C1/（C0+CL）］

其中［1/2π√（L1*C1））］是晶體串行振蕩模式的頻率

根據泰勒展開：

FL=［1/2π√（L1*C1）］*［1+C1/2（C0+CL）］（1）

從公式中可以看出，頻率與C0，C1和CL都有關。

在基頻諧振中C1為10-30fF，一般取值為20fF。C0取值與晶體的尺寸有關，一般取值為5pF。但是CL的計算與晶體外接電容和PCB設計和材料有關。下圖是參考電路圖

從上面電路中可得出：

1/（C11+CS1）+1/（C12+CS2）=1/（CL）（2）

其中C11，C12是外接電容，也就是線路設計中放在晶體兩邊接地的兩個電容。CS1和CS2是寄生電容，和PCB電路板的走線，焊盤及芯片的管腳有關。一般為5-10pF（在本文的計算中可設為8pF）。對于C11和C12，沒有確定的值（15pF-30pF），這和實際設計有關，例如取18pF。

CL如有變化，并行振蕩模式的頻率也隨之變化，請看圖4

由公式（1）可得頻率變化為：

（FCL1-FCL2）/FCL1=C1/2*［1/（C0+CL1）-1/（C0+CL2）］*10E6（3）

從公式（2）和公式（3）中可知C11和C12的精度將影響頻率的精度。具體數據如表1所示。其中參數的取值如前文：C1=20fF，C0=5pF，CS1=CS2=8pF，C11=C12=18pF。

表1電容精度與頻率精度的關系

在很多應用場合，電容精度取5%，從上表可看出它對頻率精度的影響可達到28PPM。這在設計中容易被忽略的。

5）其他因素：如回流焊接的影響，濕度的影響，大氣壓的影響等。這些因素影響不大，不再這里詳述。

晶體振蕩總的頻率精度就是上述五個方面之和。

硅頻率控制器（SFC）

SFC原理

由于石英材料及其振蕩原理的局限性，近年來，人們不斷探索用新技術來替代它。如MEMS技術，但是它的中心振蕩頻率不是很高（如16MHz）所以如果需要高的頻率輸出，必須經過一級PLL，增加了成本，相位噪音和功耗。

IDT在這一領域做了深入的研究，采用專利的CMOS諧波振蕩器（CHO），推出了全硅頻率控制器。它的核心是一個高頻的振蕩模塊，根據設置不同的分頻系數可得到不同的輸出頻率。這樣，既不需要石英做為振蕩源，也不需要PLL做倍頻。

SFC工作狀態需要電源而晶體不需要。但是，由于ASIC必須提供晶體起振電路，所以晶體也相應地增加了ASIC的能耗。

硅頻率控制器（SFC）的參數

精度

硅頻率控制器的頻率公差在50PPM。-20-70°C頻率溫度特征是50PPM。硅頻率控制器不使用石英，所以沒有老化方面的問題。精度只需考慮兩個方面即可。可參照以下表2中的例子。晶體精度的取值請參照前文的計算。

表2兩類產品的比較

從這個例子可以看出，雖然都是50PPM的頻率公差和溫度特征，計算出晶體的精度可達160PPM。而硅頻率控制器的精度是100PPM。

最簡單的設計

硅頻率控制器不需要任何輔助器件即可工作。晶體必須外掛兩顆電容才能正常工作，這不但節約了成本，還節約了寶貴的空間，這符合產品小型化發展的趨勢。

超低供電電流

在工作狀況下，供電電流是1.9mA。靜態工作電流更是只有1uA。其它基于晶體和MEMS的產品是它的4-10倍。這對于手持設備更是一個福音。因為對于相同的電池容量，低電流意味著更長的使用時間，這越來越受到產品制造商的重視。

快速啟動時間

標準啟動時間是400uS。而晶體的啟動時間有時競達到10mS。更快的啟動時間可以使產品從上電或待機狀態迅速進入正常工作狀態。這也增強了產品的競爭力，在市場上占有利的地位。

寬頻率輸出范圍

不需要PLL，硅頻率控制器可輸出4-50MHz。對于通用的頻率，如10M，14.31818M，19.44M，20M，25M，33M，33.3333M，40M，48M，50M等等可以直接訂購，對于不通用或者特殊頻率，可通過工廠設置輸出分頻系數得到。

更高的工作可靠性

現在時尚的產品總是被人們喜歡隨身攜帶，如掉在地上，被硬物碰到等小意外發生是不可避免的。這往往會造成晶體停振而使產品失效。硅頻率控制器由于沒有采用晶體，所以不會受到振動和擠壓的影響。這對于產品的長期穩定性工作是非常重要的。而這也是設備制造商越來越喜歡它的原因之一。另外，硅頻率控制器沒有高阻抗的輸入管腳，這樣更利于通過EMI的測試。

更好的抖動指標

下例是在SATAGEN2連接性能測試結果。從中可以看出硅頻率控制器的抖動小于晶體的抖動。

塑殼封裝

硅頻率控制器的封裝采用成本更低的塑殼即可。而晶體必須采用陶瓷密封裝。所以硅頻率控制器的成本可以更低。并且塑殼封裝的資源非常豐富，不受到廠家供貨周期和數量的限制。

硅頻率控制器的尺寸通常是2.5*2*0.55mm。并會有更小的尺寸推出。眾所周知，小封裝的晶體會大幅度增加成本。但這對于硅頻率控制器是非常容易實現的并可能是更少的價格。

更快的供貨周期

如前文所述，硅頻率控制器的核心是穩定的高速振蕩模塊。工廠可預先生產，然后根據客戶的需求來配置輸出頻率，這樣可大大縮短產品供貨周期。

SFC晶源

硅頻率控制器是一種CMOS技術，和ASIC是同一種工藝，所以ASIC很容易將硅頻率發生器的晶源集成進去。如果是石英，因為是不同的工藝，所以會帶來很多工藝和可靠性方面的問題。

硅頻率控制器產品應用

硅頻率控制器的外觀如圖7

硅頻率控制器的管腳分布以2.5*2*0.55mm為例，如圖8所示

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