低頻振蕩電路新常識(shí)

目錄

1. 電子器械產(chǎn)品的市場(chǎng)變化趨勢(shì)

2. 音叉型晶體單元與半導(dǎo)體工藝技術(shù)的變化趨勢(shì)

3. 小型化對(duì)特性的影響及其對(duì)策

3-1. 因 CI 值(晶體阻抗；Crystal Impedance)的增大而造成的振蕩穩(wěn)定性下降

3-2. 振蕩頻率的偏移

3-3. 因微機(jī)（MPU）的低電壓化而造成的振蕩故障 3-4. 晶體振蕩器

4. Epson Toyocom 的 kHz 頻帶整體解決方案之介紹

4-1. 音叉型晶體單元

（1）音叉型晶體單元產(chǎn)品陣容

4-2. 32.768 kHz 振蕩器

（1）32.768 kHz 晶體振蕩器產(chǎn)品陣容

1. 電子器械產(chǎn)品的市場(chǎng)變化趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著降低環(huán)境負(fù)荷意識(shí)的日益高漲，既能維持電子器械產(chǎn)品的高性能，又能通過(guò)設(shè)備儀器的小 型化減少原材料以及徹底降低耗電量的市場(chǎng)需求愈來(lái)愈多。電子部品（電子元器件）的市場(chǎng)變化也與此相同， 做為基準(zhǔn)時(shí)鐘的水晶元器件也要求具備小型、低耗電、高精度及高可靠性。這不是單純的縮小部品尺寸的問(wèn) 題，縮小尺寸意味著出現(xiàn)新的課題并使原有課題更為突出。

表 1 匯總了各主要用途對(duì) kHz 頻率范圍晶體單元（音叉型晶體單元）的主要要求。如表中所示，音叉 型晶體單元主要用于機(jī)器的時(shí)鐘、微機(jī)副時(shí)鐘及定時(shí)，做為必須元器件被廣泛用于各種用途中。從表中可以 看出，任何市場(chǎng)對(duì)小型、低耗電、高精度、高可靠性的要求都存在著增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2. 音叉型晶體單元與半導(dǎo)體工藝技術(shù)的變化趨勢(shì)

圖 1 顯示了音叉型晶體單元的尺寸的變化趨 勢(shì)。從過(guò)去的 20 年中可以看出，體積從約 150 mm3 縮小到約 1.5 mm3，急劇下降到最初的 1/100，小 型化在不斷進(jìn)展。我們認(rèn)為今后研究開(kāi)發(fā)也將向更 小型化的方向發(fā)展。

圖 2 顯示 了內(nèi)藏振蕩 電路的低功耗微機(jī) （MPU）的設(shè)計(jì)規(guī)則細(xì)微化的變化趨勢(shì)。

以前的設(shè)計(jì)規(guī)則為 0.2 μm～0.3 μm，且通常使用電源電壓 VDD=1.8 V～3.0 V驅(qū)動(dòng)。但近幾

年，隨著細(xì)微化以及低電壓化的進(jìn)展，已躍進(jìn)到 0.1 μ m～0.15 μm、VDD=1.5 V～1.8 V 驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)域。

另外，待機(jī)時(shí)的功耗要求等級(jí)也從以前的 0.3 μW 左右降至近年來(lái)的 0.1～0.2 μW。我們認(rèn)為：為了降 低成本而不斷進(jìn)展的設(shè)計(jì)規(guī)則的細(xì)微化以及為了降低 功耗而引起的低電壓驅(qū)動(dòng)化，是時(shí)代所期盼的變化趨勢(shì) 將不會(huì)停滯。

由于上述音叉型晶體單元與半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的變 化趨勢(shì)，本公司的技術(shù)支持部隊(duì)已收到了如下所示的眾 多故障事例：

· 因音叉型晶體振蕩單元的 CI 值增大造成振蕩穩(wěn)定性的惡化。

· 因音叉型晶體振蕩單元的頻率敏感性的提高造成振蕩頻率的偏移。

· 因半導(dǎo)體設(shè)計(jì)規(guī)則的細(xì)微化以及低電壓化， 造成抗電源噪音的性能降低或引起振蕩裕度（ oscillation allowance）不足，無(wú)法得到穩(wěn)定的振蕩。

接下來(lái)在下一章中就這些伴隨小型化、低電壓化而引起的音叉型晶體單元所特有的注意點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

3. 小型化對(duì)特性的影響及其對(duì)策

3-1. 因 CI 值(晶體阻抗；Crystal Impedance)的增大而造成的振蕩穩(wěn)定性的下降

如將晶體單元的諧振狀態(tài)置換成電氣電路，可以 得到如圖 3 所示的晶體振蕩單元的等效電路，CI 值相 當(dāng)于等效電路的 R1。通常將晶體振蕩單元小型化時(shí)， CI 值會(huì)變大。這時(shí)，晶體振蕩單元的 CI 值對(duì)振蕩電 路的影響及其對(duì)策如下所示。

【影響】

CI 值較大時(shí)起振或停止電壓會(huì)變高。即會(huì)出現(xiàn)即 使增大電壓也難以起振、電壓稍下降振蕩就會(huì)變得不 穩(wěn)定或停止振蕩的現(xiàn)象。

而且 CI 值是晶體振蕩單元單體中的諧振頻率的等效阻抗，對(duì)振蕩的不穩(wěn)定或不振蕩產(chǎn)生影響的、決 定振蕩裕度的重要參數(shù)之一。

【對(duì)策】

首先，需要確保衡量振蕩電路能否穩(wěn)定振蕩的尺度的振蕩裕度在 5～10 以上。這項(xiàng)振蕩裕度可用 圖 4 的振蕩電路的負(fù)阻抗（CI）除以晶體振蕩單元的等效串聯(lián)阻抗（ r）的最大值來(lái)表示。

當(dāng)振蕩裕度不足時(shí)，將出現(xiàn)如上所述的延遲起振時(shí)間或起振電壓變高的故障。而且，當(dāng)振蕩裕度明 顯不足時(shí)，振蕩將陷入不穩(wěn)定或不起振的狀態(tài)。

為了提高振蕩裕度，以下兩種方法較為有效：

①通常改善負(fù)阻抗的方法較為有效，根據(jù)圖 5 所 示的振蕩電路部分功耗與負(fù)阻抗之間的關(guān)系，可使用 增加振蕩部電流的方法來(lái)解決，但這種方法存在增加 耗電量的缺點(diǎn)。

②使用 CI 值較小的石英晶體也可以改善振蕩裕 度，但如上所述，通常晶體振蕩單元的小型化將使 CI 值變大。

盡管小型化與振蕩的穩(wěn)定相對(duì)立，但本公司使用 “QMEMS”技術(shù)，采用了既小型又能抑制 CI 值的設(shè) 計(jì)。本公司根據(jù)客戶(hù)的需求，推出了規(guī)格尺寸豐富多 樣的晶體振蕩單元陣容，可以為您提供系統(tǒng)最佳部件， 支持尊貴客戶(hù)的高度設(shè)計(jì)品質(zhì)。

3-2. 振蕩頻率的偏移

隨著振蕩器尺寸的小型化，頻率敏感度將變高。 實(shí)裝到產(chǎn)品基板時(shí)振蕩頻率可能偏移所期待值。以下說(shuō) 明其影響及對(duì)策。

圖6電容特性

【影響】

晶體振蕩單元的頻率隨振蕩電路的負(fù)載電容而變化。 這種變化被稱(chēng)為“頻率與負(fù)載電容特性”。負(fù)載電容如式 1)所示，由振蕩電路的電容值和雜散電容量而決定。

頻率與負(fù)載電容特性如圖 6 所示，隨振蕩器的規(guī)格尺寸而不同。頻率的精度隨著振蕩器尺寸的小型化，電容容量每 1pF 的頻率敏感度將變高（曲線(xiàn)的傾斜變得急?。虼耸艿矫?塊基板的雜散容量不均的影響，頻率容易變動(dòng)。即振蕩頻率的 偏移變大。

這種情況下晶體振蕩電路的對(duì)策如下所示。

式1) CL≈Cg×Cd/(Cg+Cd)+Cs （Cs:電路的雜散容量）

【對(duì)策】

圖 7 為使用 CMOS IC 的、通常的晶體振蕩電路。

通過(guò)改變此圖中的柵極容量 CG、漏極容量 CD，可以調(diào)整振 蕩頻率。因此，可采取以下方法：

①選擇 CG、CD 的不均較小的電容；

②選擇敏感度低的晶體振蕩單元。

用上述觀(guān)點(diǎn)選擇部品，就能得到穩(wěn)定的頻率精度。

本公司產(chǎn)品使用“QMEMS”技術(shù)，采用了既小型又能抑制敏 感度和每個(gè)產(chǎn)品的不均的設(shè)計(jì)。

使用這樣的產(chǎn)品也是有效手段之一。

3-3. 因微機(jī)（MPU）的低電壓化而造成的振蕩故障

(1)低耗電微機(jī)（MPU）開(kāi)發(fā)的變化趨勢(shì)

產(chǎn)品端末的小型、低耗電、多功能化正在不斷進(jìn)展，對(duì)被廣泛使用于各種用途的 MPU 的要求也一樣。 針對(duì)這些要求，MPU 的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)著重于以下方面：

·半導(dǎo)體芯片數(shù)的減少，單芯片化；

·所采用的設(shè)計(jì)規(guī)則的細(xì)微化（參照?qǐng)D 2）； ·低電壓、低耗電化。

（2）32.768kHz 振蕩電路的低耗電化

與這種開(kāi)發(fā)的進(jìn)程相對(duì)照，對(duì) 32.768kHz 振蕩電路也產(chǎn)生了各種制約。特別是 32.768kHz 時(shí)鐘在 MPU 內(nèi)一直處于工作狀態(tài)，因此被視為最需要做到低耗電的功能。

其中，做為今后的應(yīng)用領(lǐng)域得到矚目的傳感網(wǎng)絡(luò)以及生態(tài)產(chǎn)品需要在電池驅(qū)動(dòng)下長(zhǎng)時(shí)間工作，所以這 種傾向更為顯著。

最近，為了實(shí)現(xiàn) 32.768kHz時(shí)鐘的低耗電化，各半導(dǎo)體制造廠(chǎng)商對(duì) 32.768kHz 振蕩電路采用了如下

所示的各種手法。圖 8 為振蕩電路塊的構(gòu)造例之 一，半導(dǎo)體制造廠(chǎng)商的規(guī)格各不相同。

? 采用可變倒相放大器（電壓增益可變、內(nèi)部 倒相放大器數(shù)可變）

? 采用可變內(nèi)藏電容

? 采用減少倒相放大器 ON 時(shí)直通電流的程序

【影響】

由于上述兩項(xiàng)變化趨勢(shì)，低耗電量化正在不斷進(jìn)展，但負(fù)面容易受到以下的影響： ·對(duì)噪音較弱；

·振蕩頻率不準(zhǔn)；

·無(wú)法確保振蕩裕度。

為了實(shí)現(xiàn)低耗電以及穩(wěn)定的振蕩，對(duì)半導(dǎo)體、基板、晶體振蕩單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)將變得愈益重要。

【對(duì)策】

重要的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的階段中，使用實(shí)際采用的半導(dǎo)體、電路基板、晶 體振蕩單元進(jìn)行振蕩電路評(píng)價(jià)試驗(yàn)。振蕩電路評(píng)價(jià)試驗(yàn)可要求晶體振蕩單元 制造廠(chǎng)商進(jìn)行。首先，基板設(shè)計(jì)將成為重點(diǎn)。設(shè)計(jì)基板時(shí)，請(qǐng)注意以下事項(xiàng)： （參照?qǐng)D 9）

① 振蕩電路（振蕩單元、振蕩電容）應(yīng)配置在振蕩 IC（MPU 等）附近；

② 基板布線(xiàn)應(yīng)最短且不交叉（20 mm 以?xún)?nèi)）；

③ 在晶體振蕩單元的下部基板配置 GND；

④ 多層基板時(shí)，晶體振蕩單元的下部?jī)?nèi)層中不配置其它信號(hào)線(xiàn)。

如果設(shè)計(jì)中不注意以上事項(xiàng)，將引起不起振、振蕩不穩(wěn)定、頻率不準(zhǔn)等 各種故障，請(qǐng)注意。

Epson Toyocom 與半導(dǎo)體制造廠(chǎng)商一起推進(jìn)參照活動(dòng)，在本公司的網(wǎng)站中已登載了以下要點(diǎn)： ·半導(dǎo)體電路的構(gòu)成；

·我方推薦的、與半導(dǎo)體相匹配的晶體振蕩單元； ·設(shè)計(jì)基板時(shí)的注意事項(xiàng)。

3-4. 晶體振蕩器

與前項(xiàng)“對(duì)策”的手法不同，設(shè)計(jì)中使用“晶體振蕩器”也是非常有效的對(duì)策。 晶體振蕩器是集晶體振蕩單元和振蕩電路為一體的產(chǎn)品，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

?內(nèi)藏振蕩電路，所以振蕩動(dòng)作、頻率精度、振蕩波形等特性處于最佳狀態(tài)即可使用； ?不需要變更振蕩電容的電路常數(shù)等，也不需要整塊基板的電路評(píng)價(jià)；

?穩(wěn)定振蕩與低耗能工作這兩項(xiàng)相峙的要求，已調(diào)節(jié)匹配達(dá)到最高的平衡。

由于所具有的這些特征，能夠大幅度地降低難度不斷增加的低頻振蕩電路的設(shè)計(jì)工數(shù)以及設(shè)計(jì)風(fēng) 險(xiǎn)。

而且，Epson Toyocom 既將晶體振蕩單元與振蕩電路匯成一體構(gòu)造，又開(kāi)發(fā)出了 2.2×1.4×1.0t mm 的小型規(guī)格的 SG-3050BC。尺寸小，且只需接電源就能發(fā)揮功能，能為提高實(shí)裝區(qū)域的自由度做 出貢獻(xiàn)。

上述產(chǎn)品能夠同時(shí)提供小型及優(yōu)越的振蕩特性。

【Epson Toyocom 的進(jìn)取】

綜本章所述，隨著晶體振蕩單元的小型化的進(jìn)展，CI 值、特性不均、頻率敏感性等性能隨之惡化，電 路設(shè)計(jì)更為困難。Epson Toyocom 使用被稱(chēng)為“QMEMS”的核心技術(shù)，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型及 高性能的音叉型晶體振蕩單元，為小型、高性能的應(yīng)用開(kāi)發(fā)奉獻(xiàn)力量。

生產(chǎn)音叉型晶體振蕩單元時(shí)，我們沒(méi)有采用生產(chǎn)中通常使用的機(jī)械加工方式，而是采用了具有 30 年歷 史與實(shí)際成果的光刻加工進(jìn)化發(fā)展而成的 QMEMS 技術(shù)，通過(guò)三維加工使晶體芯片的外形與電極的形成實(shí) 現(xiàn)小型、高精度，精心設(shè)計(jì)使音叉型晶體振蕩單元的特性達(dá)到最佳。

因此，能為客戶(hù)提供具有以下特性的音叉型晶體振蕩單元：

?使用晶片蝕刻工藝控制芯片形狀的不均（抑制 CI 値、頻率精度的不均）；

?音叉的振動(dòng)臂上形成三維體槽，增大電極面積從而實(shí)現(xiàn)低 CI 值； ?進(jìn)行精細(xì)加工生產(chǎn)更小型的產(chǎn)品。

使用上述 QMEMS 技術(shù)，為您準(zhǔn)備了能夠盡量減少您的設(shè)計(jì)及品質(zhì)等方面的風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品陣容。

今后，我們也將不斷推進(jìn) QMEMS 技術(shù)的進(jìn)化，努力開(kāi)發(fā)并提供更小型、更高性能的晶體元器件。

* QMEMS 是 Epson Toyocom 的注冊(cè)商標(biāo)。

4. Epson Toyocom 的 kHz 頻率范圍整體解決方案之介紹

Epson Toyocom 做為晶體元器件的引領(lǐng)企業(yè)，以 kHz 領(lǐng)域中壓倒群芳的銷(xiāo)售成果為基礎(chǔ)，最先開(kāi)發(fā) 出小型、薄型化的產(chǎn)品，以包括振蕩單元以及振蕩器的整體解決方案為客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)做貢獻(xiàn)。

4-1. 音叉型晶體單元

（1）音叉型晶體單元產(chǎn)品陣容

Epson Toyocom 的 kHz 頻帶音叉型晶體單元的陣容如下。從柱形到可以自動(dòng)實(shí)裝的 SMD 型，品種 充實(shí)，可以應(yīng)用在各種用途。特別是小型主力機(jī)種的 MC-146、FC-135 為世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸。而且又于

2007 年 3 月將超小型，又具備高精度、低 CI 值、低敏感度的 FC-12M 推向了市場(chǎng)，應(yīng)對(duì)越來(lái)越強(qiáng)烈的 小型化市場(chǎng)需求。

■ kHz 頻帶音叉型晶體單元一覽

■小型產(chǎn)品規(guī)格概略

■FC 系列小型化的變化趨勢(shì)

4-2. 32.768 kHz 振蕩器

（1）32.768 kHz 晶體振蕩器產(chǎn)品陣容

Epson Toyocom 除了為您準(zhǔn)備了 32.768 kHz 音叉型晶體單元商品陣容以外，還將 32.768 kHz 晶體振蕩器商品化，與音叉型晶體振蕩單元同樣可被應(yīng)用于各種用途。至今為止，特別是小型的主力 機(jī)種：SG-3030LC 為眾多顧客的商品開(kāi)發(fā)做出了貢獻(xiàn)。

在此之上，本公司還開(kāi)發(fā)出了世界最小尺寸的 32.768 kHz 晶體振蕩器：SG-3050BC，其性能 比本公司原有產(chǎn)品更高一籌。

■ 32.768 kHz 晶體振蕩器一覽

■ 32.768 kHz 晶體振蕩器規(guī)格概略

■ 32.768 kHz 晶體振蕩器小型化的變化趨勢(shì)

【關(guān)于 Epson Toyocom】

Epson Toyocom 公司是于 2005 年 10 月由精工愛(ài)普生株式會(huì)社的水晶事業(yè)與東洋通信機(jī)株式 會(huì)社的事業(yè)合并成立的公司。

對(duì)于以水晶為基礎(chǔ)的“定時(shí)元器件”、“傳感元器件”及“光學(xué)元器件”，以將這三種元器件各 自展開(kāi)的“橫向展開(kāi)”以及將三種元器件組合的“垂直展開(kāi)”為概念的“3D 戰(zhàn)略”，在全球范圍 內(nèi)，從手機(jī)終端的民用領(lǐng)域到通訊基干、車(chē)載等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，為廣大客戶(hù)提供商品，立志成為水晶元 器件行業(yè)的引領(lǐng)公司。

本公司的“定時(shí)元器件”做為具有高精度、高穩(wěn)定性的水晶石英產(chǎn)品，被用于做為各種儀器 設(shè)備的基準(zhǔn)信號(hào)源。 KHz 頻帶的音叉振動(dòng)； 約 100MHz 以下為利用厚度振動(dòng)的 AT 型晶體；幾百 MHz 頻帶中有應(yīng)用了AT 振動(dòng)技術(shù)的高頻基波模式（High Frequency Fundamental ；HFF）以及 表面聲波（Surface Acoustic Wave；SAW），至今為顧客提供 kHz 至 2.5GHz 頻帶的各種商品。