物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的石英晶體和石英振蕩器R2016-16.000-9-1010-TR-NS1

幾年來,“物聯(lián)網(wǎng)”一詞已經(jīng)成為常用術(shù)語。作為“物聯(lián)網(wǎng)”一部分的設(shè)備可以相互無線通信。這通常使用當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)，如WiFi、藍(lán)牙、Zigbee和5G。物聯(lián)網(wǎng)也改變了對設(shè)備本身的要求。今天，每部智能手機(jī)都是其他設(shè)備的連接節(jié)點(diǎn)。智能家居應(yīng)用和手腕上的智能手表只是眾多例子中的兩個(gè)。

然而，要使這一切順利進(jìn)行，每個(gè)組件都必須符合無線環(huán)境的要求。對于在許多電子應(yīng)用中提供時(shí)鐘信號的微小石英晶振和振蕩器來說也是如此。那么問題來了:在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用石英晶體和振蕩器需要考慮什么？

越來越小的產(chǎn)品需要越來越小的元件

因此，對無源元件外殼和規(guī)格的要求也在發(fā)生變化——它們也必須變得更小。這里也有優(yōu)點(diǎn)；一方面，需要較少的原材料，這對環(huán)境有益。另一方面，減少了包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的費(fèi)用。

然而，這種趨勢面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是頻率本身的物理限制。為了獲得較低的振蕩頻率，顯影過程從一塊厚的石英開始，而較薄的晶體可以獲得較高的頻率。同時(shí)，表面積與厚度的比率不能低于某個(gè)值，否則電參數(shù)變得不利。相反，這意味著尺寸非常小時(shí)，不能有效地產(chǎn)生低頻(即厚晶體)。這一限制主要影響石英晶體，而不是石英振蕩器，因?yàn)楹笳甙粋€(gè)IC，通?？梢苑诸l。因此，振蕩器在頻率方面有更廣泛的可能性。此外，一些振蕩器也可以實(shí)現(xiàn)明顯更高的頻率，因?yàn)镮C可以成倍增加晶體的自然頻率。

通常，石英晶體在所謂的“皮爾斯電路”中工作?；倦娐吩膱D示表明，它主要由兩部分組成。

無線應(yīng)用的最高頻率精度

無線應(yīng)用對石英晶體的主要要求自然是頻率精度。電路通常被分配窄頻帶的無線電波長。為了防止來自其他頻率的干擾，也為了能夠在更長的范圍內(nèi)進(jìn)行連接，將偏離標(biāo)稱頻率的任何偏移保持在最小是很重要的。例如，在藍(lán)牙中，最大允許頻率偏差是百萬分之40(ppm)。在任何情況下，在應(yīng)用程序的整個(gè)生命周期中的任何時(shí)候都不能超過這個(gè)限制。為了確保這一點(diǎn)，開發(fā)者必須使用最壞情況計(jì)算來估計(jì)所有可能的影響，因此，特別是:

• 25°C時(shí)的公差
• 在預(yù)期溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性
• 電路C不匹配導(dǎo)致的誤差L
• 長期變化
• 負(fù)載電容容差引起的誤差(= CL偏差)
• CLIC引腳電容容差加上PCB容差

為確保25°C時(shí)的頻率合規(guī)性，規(guī)格中定義了每個(gè)石英元件的負(fù)載電容。負(fù)載電容是生產(chǎn)過程中石英晶體最精確匹配的電容。在這里，晶體被激發(fā)振蕩，頻率被測量，如果需要，銀電極的質(zhì)量通過蒸發(fā)沉積或腐蝕(通過離子轟擊)來校正。

如果活動(dòng)的CL在最終電路的匹配過程中，晶體將在室溫下以其標(biāo)稱頻率可靠地振蕩。

對于開發(fā)者來說，這種匹配帶來的問題是，他們通常不知道當(dāng)前使用的晶體給測量帶來了什么誤差。不知道這一點(diǎn)，就不可能進(jìn)行精確的匹配。如果匹配是在石英供應(yīng)商的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，則通常是測量單個(gè)晶體帶來的頻率偏差，然后進(jìn)行補(bǔ)償?；蛘?，希望自己進(jìn)行精確匹配的開發(fā)人員可以從供應(yīng)商處獲得測量樣本，以便補(bǔ)償引入的誤差。

無錯(cuò)誤運(yùn)行的正確電阻

因此，晶體必須很小，并且必須盡可能精確地運(yùn)行。另一個(gè)因素是晶體的等效串聯(lián)電阻(ESR)必須保持較低。ESR描述了諧振時(shí)石英晶體所代表的等效電路中的歐姆電阻。數(shù)據(jù)手冊通常規(guī)定制造商承諾不超過的最大ESR。這個(gè)ESR最大直接影響電路的振蕩安全系數(shù)(OSF ),因此應(yīng)盡可能低。

然而，晶體越小，通常ESR越高最大。另一個(gè)規(guī)律:晶體越小，在不過載的情況下，它能接收的功率就越少。

在舊電路中使用現(xiàn)代石英類型:重新設(shè)計(jì)

電力問題導(dǎo)致了另一個(gè)不僅限于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的問題。如今，許多重新設(shè)計(jì)項(xiàng)目都面臨著這樣的問題，即由于早期產(chǎn)品的缺乏，較老和較大尺寸的石英組件正在停產(chǎn)。因此，開發(fā)者經(jīng)常面臨這樣的問題，即必須重新設(shè)計(jì)過去發(fā)布的具有大晶體類型的電路，以便用更小的、當(dāng)前可用的晶體來操作它。這里必須特別注意晶體的功率處理能力。在可能的情況下，應(yīng)通過測量進(jìn)行檢查。一方面，這使得開發(fā)者能夠確定晶體將在其諧波范圍內(nèi)工作，從而盡可能無損耗地符合約定的規(guī)格。另一方面，防止了石英晶體的過度老化，以及在最壞的情況下，由于過載而導(dǎo)致的故障。

哪些石英產(chǎn)品特別適合在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用？

原則上，石英晶體和石英振蕩器都同樣適用。兩者都能夠?qū)崿F(xiàn)所需的頻率穩(wěn)定性。

在涉及大量應(yīng)用的情況下，出于商業(yè)原因，通常選擇石英晶體。然而，在開發(fā)階段涉及許多任務(wù)，以確保結(jié)果是一個(gè)穩(wěn)定的、可靠運(yùn)行的產(chǎn)品。與此形成對比的是價(jià)格更高的振蕩器，其制造商保證所有參數(shù)都符合要求。這個(gè)選項(xiàng)提供了最大的精度，加上高操作可靠性-所有這些相對較少的開發(fā)費(fèi)用。

為了能夠滿足對精確石英鐘信號的所有苛刻要求，人們開發(fā)了特殊的石英晶體系列，這些產(chǎn)品的電氣參數(shù)經(jīng)過特別優(yōu)化，由于特殊的預(yù)處理，它們的長期老化程度特別低。

最后，應(yīng)該提到的是音叉石英晶體(也稱為時(shí)鐘晶體)也經(jīng)常使用，通常以32.768 K振蕩。許多IC提供連接額外晶振作為備用時(shí)鐘發(fā)生器的選項(xiàng)。這使得高頻時(shí)鐘有可能在應(yīng)用的待機(jī)階段停止工作，從而顯著降低IC的功耗。與此同時(shí)，IC繼續(xù)以32.768 KHz的頻率部分運(yùn)行，因此能夠快速返回功耗模式。由于它們相對較高的溫度敏感性，時(shí)鐘晶體不被認(rèn)為是用于無線應(yīng)用的足夠精確的時(shí)鐘。然而，由于其功耗低得多，僅為幾A，因此被認(rèn)為是經(jīng)常需要的待機(jī)模式的理想選擇。除此之外，這些時(shí)鐘晶體當(dāng)然也適合所有傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘應(yīng)用。

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