石英晶体、矽、陶瓷和LC各材料间特性与差异

石英晶体振荡器和矽材微机电振荡器比较

Crystal, Silicon, Ceramic, and LC Material Properties and Features

  各式各样的电子设备都需要参考时脉信号来驱动IC ，石英晶体元件是参考时脉的来源之一，但它并不是唯一的时脉信号来源。

  其它时脉信号来源包括LC振荡器，它是由电感器(L)和电容器(C)组成，当这两个元件连接时会产生谐振频率。CR振荡器则是由电容器(C)和电阻器(R)组成的电路进行充电/放电以产生参考频率，而陶瓷振荡器主要由钛酸铅(PZT)组成的压电陶瓷来产生参考频率；Si-MEMS振荡器(矽材微机电振荡器) ，它们则是使用微机电系统(MEMS)技术来产生振荡频率元件，然而各种类型振荡器的选择主要是取决于应用。 

  陶瓷振荡器，通常用来作为微处理器参考时脉信号以及频率精度要求不高的低频需求，陶瓷振荡器频率范围大约是在200kHz和100 MHz之间，在室温下的频率偏差通常约在0.1%~0.5%左右。陶瓷振荡器具有价格优势，但是陶瓷振荡器在温度特性的频率波动较大，所以总频率稳定性较低(约±1.1%) 。 

  石英晶体振荡器，主要用于需要高频以及对于高频精度有要求的应用，例如无线通信设备。然而近年来，Si-MEMS振荡器(矽材微机电振荡器)显示出其性能的差异，但其各种规格项目之间仍然存在着材料本身的性能差距。

  此篇技术文章中，我们将会逐一说明石英晶体谐振器以及使用各种材料所制造的谐振器间特性差异。

1.石英晶体与谐振器的比较

  石英晶体和其他材料类型的谐振器均可用来做为产生参考时脉信号的振荡器。例如，使用逆压电现象的压电驱动型石英晶体振荡器，主要是透过施加在压电晶体上的电压来产生机械应力以产生频率。静电驱动型，则是透过同时施加高压下所产生的静电来产生频率。

  然而，在绝大多数的情况，石英晶体与其他材料类型的谐振器之间的差异，主要还是取决于晶体(材料)的特性。

  爱普生提供各种以石英晶体为素材的石英元件(例如，Crystal/Oscillator/RTC Module) ，诚如前言所述，石英晶体和其他类型谐振器可以由各种材料制作而成，透过表1汇整并进一步说明各种材料在基本电气特性的差异。

表1.材料特性比较表(石英晶体与各种类型谐振器)

1-1. LC和CR谐振器

LC电路谐振器，由电感器(L)和电容器(C)组成，它们适用于需要相对较高频率和宽频率调谐范围的应用。但是，它们的频率特性既不准确，也不稳定，此外，为了满足谐振条件，还必须增加低频的电感，也因为需要大线圈，因此不适合小型化。如果需要小型化时，可以使用由电容(C)和电阻(R)组成的CR谐振器，但是CR谐振器的缺点是很难产生出高频段的频率。

1-2.陶瓷谐振器

陶瓷谐振器，是使用PZT(钛酸铅)所制作而成的压电元件，而这些元件是在高温下硬化。它们提供比LC振荡器更好的频率精度，但它们也具有较大的初始/常温频率偏差(约±.5%)。因此，它们被广泛使用于较不重视频率精度的低频应用。  

陶瓷谐振器的温度特性可以透过改变陶瓷材料的组成来调整，使这些谐振器能够灵活地被采用。另一方面，由于材料成分和生产制造时的些微误差都将会导致性能变化，因此很难确保再现性。

陶瓷谐振器最突出的特点是其上升时间较快，上升时间会影响振荡电路的元件设计，一般来说，较高的频率、较低的负载电容和较低的谐振器Q ，可以带来更快的起振时间。如表1所示，陶瓷谐振器的Q值低于石英谐振器和矽(Si)谐振器的Q值，因此陶瓷谐振器在上升时间方面具有其优势。基于这些特性，陶瓷谐振器被广泛用于频率精度不是那么关键的应用中，主要的需求大多是来自于对上升时间有所要求的应用。

1-3.矽基材谐振器

  矽(Si)基材谐振器，使用单晶矽，其材料的Q值比陶瓷谐振器要来的好，但比石英晶体要来的差。此外，矽谐振器使用半导体制造工艺在晶圆批量加工时，生产成本较低且尺寸较小。

  然而，这种便利、高直通量的生产使得单一谐振器在特性调整变得更为困难，而在制造过程中的些微变化也会直接反映在初始频率的偏差。

  因此，单一谐振器的频率精度需要透过补偿电路才能得到高精度特性。单晶矽的温度/频率(系数)表现出-20至-30 ppm/°C的一阶线性度，因而温度变化对于矽谐振器的频率精度产生了剧烈的变动，所以当使用矽基材谐振器时，必须透过温度补偿的机制才能让矽振荡器(Si-MEMS振荡器)提供一定程度的频率精度。 

1-4.石英晶体谐振器

  石英晶体，主要是以二氧化矽(SiO2)做为主要的原材，因为其高结晶度以及出色的阻抗特性，使得它们具有高Q值的优异表现。此外，石英是一种多向的异性晶体，根据其切割方式(AT Cut)，产生的温度特性具有三阶的特性曲线，并且在接近室温的转折点以及在很宽的温度范围可同时具有稳定表现的温度特性。也因为在制造过程中可以进行频率调整，因此在初始频率偏差也非常小(大约几ppm)。因此，石英晶体谐振器非常广泛的使用于需要高精度的应用，例如无线通信设备。正如我们所看到的，在选择最佳频率元件时，石英晶体谐振器和其他谐振器的材料特性也是需要仔细考虑。

下章节，我们将会解释使用石英晶体的振荡器以及使用矽材微机电谐振器的振荡器(Si-MEMS振荡器)之间的区别。

2.石英晶体谐振器和矽谐振器温度特性的比较

  如同前面提到的温度/频率特性，石英晶体材料和矽基材料的温度特性如图1所示。

  石英晶体(此处为AT切割方式)在室温附近具有转折点，并且可在很宽的温度范围内表现出稳定的频率特性。透过这些温度特性曲线可以发现这两种材料的在温度以及频率特性的差异，而石英晶体即使在没有进行频率调整的前提下，在环境温度发生变化时，依然可以保持稳定的频率精度，也因此石英晶体在许多应用被广泛的采用。 

相较下，矽谐振器温度特性表现出-20至-30 ppm/°C的一阶线性度。当使用具有稳定温度特性的石英晶体谐振器来构建振荡器时，可以再透过温度补偿来提高石英晶体的温度/频率特性。

  石英晶体谐振器可于生产制造时各自被调整到所需的频率，所以初始偏差也仅在ppm范围的变化。   

  然而，矽谐振器在晶圆上进行批量处理以实现最大生产直通量，除非逐一进行调整，否则在初始频率偏差量将会产生比石英晶体谐振器更大的变动量，这是一个耗费生产时间与成本的过程。

  基于上述的原因，矽材微机电振荡器(Si-MEMS谐振器)内部大多被设计带有补偿电路以补正并提高其频率稳定性，但在电路侧将具有比石英晶体更大的负载(功耗) 。因此，石英晶体与矽谐振器的特性存在显著优劣差异。

3.石英晶体振荡器和矽材微机电振荡器相关特性

  因应不同的应用，对于参考时脉信号的要求也有所不同，在振荡器的选择而言，大多会是考量其初始频率偏差、频率/温度稳定性以及杂讯和抖动特性等参数。

  矽材微机电振荡器(Si-MEMS振荡器)主要是透过周边补偿电路来补正其矽谐振器的温度/频率特性，以提高频率稳定性。用于补偿功能的周边电路称为「分数型乘除法器PLL电路」（Frac-N PLL ）。

Frac-N PLL是一种锁相回路，它使用小数分频器产生输入频率的倍数来改变输出频率。并透过此方法来改变矽谐振器各温度点的频率，使用温度补偿功能来对输出信号的振荡频率进行补正与控制。

上述所说明的温度补偿图例，如下图2所示。 

图2中红色特性曲线采用分数型乘除法器PLL电路(Frac-N PLL) ，以及运用温度补偿后的特性。

  如前所述，矽谐振器的温度特性出一阶线性，因此可以根据简单的补偿公式进行自我补偿，但由于矽谐振器比石英晶体谐振器的温度特性具有更大的变动差异，因此透过类比温度补偿是不可能的，所以将使用的温度区域划分为较小的区域，并在改变每个区域中的频率解调器的同时，透过分数型乘除法器PLL电路，得以实现更细微的补偿。

  然而，当去倍增比进行切换时，会发生如图2所示的不连续的频率跳跃。这将导致输出信号的相位在振荡频率的不连续温度点发生变化，导致杂讯和抖动特性下降。

  当矽谐振器用于以相位调变技术所进行讯号通信的无线设备时，在存在杂讯的情况下不可能进行正确的调变/解调，因为这可能会妨碍数据传输的准确性和讯号接收的稳定性。 

  基于石英晶体谐振器的振荡器即使在没有温度补偿的情况下也可以在很宽的温度范围内使用。此外，由于它们不使用PLL进行温度补偿(即使在使用PLL电路改变去倍比的产品中也仅使用基本波振荡频率），因此石英晶体振荡器可以在一定温度范围内保持石英晶体稳定的温度特性曲线(没有不连续的跳频现象) 。因此，杂讯和抖动特性不会下降，使得在无线设备出现问题的可能性极低。

  当然，也可以改变矽谐振器本身的设计(例如，控制尺寸或改变电极材料) ，并应用温度补偿功能于各个单一矽谐振器，并仅更改初始值的减倍比，但这最终会稀释矽振荡器(Si-MEMS振荡器)原先所享有的优势，例如高直通量和低生产成本。

  最后，由于近年来，通信设备产业对于石英晶体谐振器以及其他谐振器的需求持续在增加，有鉴于这个趋势，对于即使不进行调整也能提供稳定特性的石英晶体谐振器的需求正在持续增加。而用户在选择时脉元件时，更需要充分了解其材料的特性，以便为其应用选择最佳时脉元件。

  爱普生将持续扩大并增强更可靠的石英晶体元件阵容，以满足各项产业需求。