內建晶體單元的實時時鐘模塊的特征

【序文】

社會中存在著為數(shù)眾多的需要更精確時間的應用程序，例如金融處理系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、電表、產(chǎn)業(yè)用測試儀器、辦公自動化工 具、醫(yī)療或娛樂產(chǎn)品等。為了獲得精確的時間，必須擁有①高精度振蕩頻率的元器件②控制元器件的芯片。顧客在進行上述應用 程序設計時可選用兩種方法：其一是采用分立元器件的方法，分別獲得①和②；其二是采用①、②合為一體的模塊。分立元器件 還是模塊的選擇在顧客的設計工作負擔與產(chǎn)品性能方面相差甚遠。愛普生生產(chǎn)和銷售的模塊將能夠振蕩高精度、高穩(wěn)定頻率的石 英晶體單元和起到控制功能的實時時鐘芯片合為一體。在此，我們將比較和說明本公司的實時時鐘模塊的特征（功能）。

【愛普生實時時鐘模塊的特征】

實時時鐘模塊是將 32.768kHz 晶體單元和實時時鐘芯片封裝在一起的產(chǎn)品，具備振蕩電路、時鐘功能、日歷功能和報警功能等。實時時鐘模塊中使用的石英晶體單元和實時時鐘芯片由愛普生自行開發(fā)和生產(chǎn)。因此，可以穩(wěn)定供給最適于高精度實時時鐘模塊的石英晶體單元，以及在最佳條件下驅動該振蕩單元的實時時鐘芯片。而且，愛普生半導體技術的應用從世界首塊實用型石英電子手表起步，還被用于奧運會公式計時系統(tǒng)和以“Grand Seiko”為代表的精工牌高級手表的心臟部控制。這些用于控制芯片的半導體技術與杰出的低耗能、高穩(wěn)定石英振蕩技術相結合，形成了高質量實時時鐘模塊的基礎。

如上所述，我們通過獨自開發(fā)的石英晶體單元和實時時鐘芯片，實現(xiàn)最佳匹配，最大發(fā)揮雙方的實力，從而為顧客提供能發(fā)揮高性能的產(chǎn)品。

下文說明本公司實時時鐘模塊所具有的特征。

【特點之一：時鐘精度已調節(jié)完畢】

愛普生的實時時鐘模塊內建 32.768kHz 晶體單元與實時時鐘芯片，采用一體型結構，并在出廠前調節(jié)了頻率精度之后提供給顧客。為此，顧客不再需要另配部件，能夠削減顧客基板上使用的部件數(shù)量。

若采用分立元器件，振蕩頻率將受基板導電圖案的雜散電容、芯片內部電容以及晶體單元等的偏差的影響而變化。因此，顧客必須花費精力進行精度設計以彌補頻率偏差。而且，顧客還需要考慮到采用分立元器件結構時如圖 1 所示的必要評估項目，例如時鐘精度調節(jié)和振蕩電路的振蕩穩(wěn)定性。

圖2表示采用分立元器件產(chǎn)品時所產(chǎn)生的偏差現(xiàn)象。

市場中通常銷售的音叉型石英晶體單元的頻率公差精度為+20x10。由于晶體單元的生產(chǎn)過程中將對每件產(chǎn)品的頻率進行調節(jié),。所以偏差集中在數(shù)據(jù)中心。而芯片間的偏差為+10x10“左右，因生產(chǎn)批號不同而呈現(xiàn)不同中心的數(shù)據(jù)分布。

使用以上兩種部件構成的分立元器件產(chǎn)品需要外設電容器并在基板上引接布線用于調節(jié)頻率,考慮這些因素后的偏差如圖2所示。

與此相對，愛普生的實時時鐘模塊中采用了本公司自行設計、生產(chǎn)的 32.768kHz 晶體單元和實時時鐘芯片，可對晶體單元進行調節(jié)，以便吸收芯片的偏差（如圖 3 所示），也不需要采用分立元器件時用于調節(jié)頻率的外建電容器和引接布線。因此，與分立元器件方式相比，可將綜合偏差降低至 2/3。而且，采用模塊方式可減少顧客用于電路評估（匹配評估）部件評估的工作量，為縮短開發(fā)周期做出貢獻。

愛普生又推出了內建 TCXO 的數(shù)字式實時時鐘模塊“RX4803SA/LC”及“RX8803SA/LC”，可提供更高的時鐘精度。具體請查看《內建 TCXO 數(shù)字式實時時鐘模塊的特征》。

【特點之二:高可靠性】

通常的實時時鐘利用極弱的電流工作，振蕩單元周圍的振蕩電路易受外界環(huán)境的影響。采用分立元器件方式時，容易受外界環(huán)境影響的振蕩電路部分暴露在基板上，易受冷凝等影響。

如圖4所示，當振蕩電路部分遭受冷凝等影響時，振蕩將變得不穩(wěn)定(2)，或將產(chǎn)生振蕩停止(3)而無法繼續(xù)計時等不良。所以，采用分立元器件方式時需要涂抹鍍層劑等避免冷凝影響，解決上述問題。

與此相對，愛普生實時時鐘模塊的振蕩電路部分沒有暴露在外，不易受冷凝等影響。因此，不需要涂抹鍍層劑，可保持產(chǎn)品的高可靠性。

【使用晶體單元的模塊與 MEMS 模塊的比較】

基于能以極弱電流保持實時時鐘的市場要求，用于計時的低頻時鐘一般采用音叉型石英晶體單元。為此，顧客大多選用32.768kHz 的晶體單元，但近幾年也逐漸出現(xiàn)了內建 MEMS 的一體型高精度模塊（時鐘精度：-40 至+85℃條件下月差 13 秒）。在此，我們對使用晶體單元的模塊與 MEMS 模塊進行比較。

【關于電流消耗】

與音叉型晶體單元相比，MEMS 模塊產(chǎn)品難以實現(xiàn)較低的頻率。所以，其振蕩頻率設定為比較容易制造的幾百千赫左右，通過分頻達到用于時鐘的目標頻率。

圖 5 表示愛普生模塊產(chǎn)品與 MEMS 模塊產(chǎn)品的電流消耗。

愛普生產(chǎn)品的電流為 0.75uA，MEMS 產(chǎn)品則是 2.5 倍以上的 2 uA，可以得出 MEMS 產(chǎn)品在市場需求的長時間備用方面沒有優(yōu)勢。

為此，MEMS 產(chǎn)品需要大容量電池，顧客或將面臨成本上升、產(chǎn)品難以小型化的問題。

圖 5：MEMS 模塊產(chǎn)品與愛普生產(chǎn)品的電流消耗之比較

【關于 32.768kHz 頻率輸出功能】

時鐘用音叉型晶體單元輸出的 32.768kHz 頻率也是一些顧客的利用對象，輸出頻率亦需要達到高精度。圖 6 表示愛普生產(chǎn)品與MEMS 產(chǎn)品的 32.768kHz 輸出頻率溫度特性曲線。

圖 6：愛普生產(chǎn)品與 MEMS 產(chǎn)品的 32.768kHz 輸出頻率溫度特性之比較

在-40 至+85℃的溫度范圍中，愛普生產(chǎn)品的頻率輸出精度可達到±5×10-6 的高精度（相當于月差 13 秒），而 MEMS 產(chǎn)品無法對輸出的頻率進行溫度補償，致使同樣溫度范圍內的輸出精度達到±0.2%（相當于月差 86 分鐘），出現(xiàn)了很大的偏差。為此，MEMS產(chǎn)品的頻率輸出無法用于時鐘。

【關于時鐘精度調節(jié)功能】

愛普生亦推出了搭載邏輯調整方式的產(chǎn)品（*3），以回應搭載到產(chǎn)品之后需要進一步調節(jié)時鐘精度的需求。該功能可推前或延遲實時時鐘的內建時鐘時刻。它能夠以±3.05×10-6 的單位，把通過 32.768 kHz 的內部石英振蕩電路制作的時鐘/時鐘精度前進或延緩到±189.1×10-6 為止，從而實現(xiàn)高精度的時刻時鐘。

（*3）搭載邏輯調整方式的機型：RX6110SA、RX-8035SA/LC、RX-4035SA/LC、RX-8025SA/NB、RX-4045SA/NB、RTC-7301SF/DG

綜上所述，愛普生憑借具有低耗電優(yōu)勢的音叉型石英晶體單元生產(chǎn)技術及頻率溫度特性的補償電路技術，向市場提供高精度、低耗電的實時時鐘模塊產(chǎn)品。與分立元器件或同樣的模塊產(chǎn)品相比，其整體性能亦十分優(yōu)越。而且，我們的產(chǎn)品在出廠前調整了頻率精度，在保證了精度的基礎上提供給顧客，所以使用時不需要調節(jié)頻率，為顧客提高設計效率和產(chǎn)品質量做出巨大貢獻。