如何选择合适的定时器件 (上)

作者：Steve Pratt

营销总监

Mehdi Behnami

产品营销总监

SiTime公司

在为一个系统选择器件时，首先需要考虑什么问题呢？微处理器或某种别的元件可能是设备工作的核心。定时器件可能是浮现在你脑海中的最后一样东西。为应用选择正确工作频率的定时器件可能看起来很简单，不过仍然有许多影响系统性能的因素需要考虑。

时钟信号是系统中的所有信号赖以存在的“心跳”。定时器件会影响整个系统的性能，因此仔细地选择这些器件，考虑每个具体的应用的要求至关重要。在选择定时器件时，特别是在更换现有设计中的定时器件以提高性能时，考虑产品整体设计以及供应链的影响也非常重要。

时钟定时的主要构件之一是振荡器，振荡器由谐振器和振荡器电路组成。从过去的角度看，谐振器是由与模拟振荡器电路相连的石英晶体制成的，振荡器电路驱动石英以谐振频率振动。采用微机电系统(MEMS)技术的振荡器已经在过去十年里面市，而机械谐振器内置在硅晶圆中，与振荡器电路封装在一起。与石英振荡器相比，基于MEMS的振荡器在性能、可靠性和灵活性方面都拥有诸多优势。

频率和频率稳定性

所有振荡器的基本参数都是频率。频率范围在kHz至几GHz的振荡器比较常见。以石英振荡器为例，需要将石英精确地切成正确的尺寸和厚度才能得到给定的频率。石英振荡器具有一些有限的标准频率，如需非标准频率的话，必须定制。这往往需要很大的量，需要预付的非重复性工程费用(NRE)和大约16周的交货期。有时候石英供应商可能会拒绝生产非标准器件。

对于MEMS振荡器，所有频率都采用同样的谐振器，具体频率由振荡器电路中的电子器件决定。由于电路可编程，因此可以轻松地得到任何需要的频率。频率与器件尺寸无关，这是一个可以在电路板设计中实现更高灵活性的优势。

另一个重要指标是频率稳定性，即标称时钟频率的变化。总频率稳定性(以百万分率ppm计)包含多个分量：初始容差、温度变化、供电电压变化、随负载的变化和随时间的老化。初始容差和温度变化是影响频率稳定性的最大因素。表1是频率稳定性与各种频率的石英振荡器和MEMS振荡器温度的对比表。虽然某些石英振荡器表现出非常不错的稳定性，但是所有频率的MEMS振荡器的容差都更低。

表1：在扩展的商业温度范围(-20℃ - +70℃)内测得的石英晶体和MEMS振荡器的频率稳定性分量。

单端与差分

芯片组供应商可能会为定时芯片指定所需的信号模式，或者系统设计人员可能会有一定的裕量。与具有差分输出的振荡器相比，单端振荡器成本较低，比较容易实现，不过这类振荡器也有局限性。它们对电路板噪声比较敏感，因此一般最适合166MHz以下的频率。输出类型包括LVCMOS、CMOS和LVTTL。

差分信令是一个成本更高的选择，不过它可以实现更加精确定义的定时，优先用于高频率应用。由于差分走线常见的所有噪声都将被全部清除，因此此模式对于外部噪声不那么敏感，会产生较低的抖动和EMI。图1介绍了多个差分振荡器的电源抑制比性能。从差分信令中受益的应用的工作频率一般在100MHz以上，包括服务器、存储器、电信设备、高端打印机、工业设备和基于FPGA的系统。输出一般是LVPECL，不过LVDS是低功率应用的选择。

抖动

抖动(理想时钟信号的偏差)是产生系统定时误差的主要原因之一，因此在评估总定时预算时将振荡器的抖动考虑在内非常重要。这并不是一个简单的问题。抖动要求随应用的不同而有所不同，振荡器厂商不会以同样的方式指定抖动。

从历史角度看，RMS相位抖动是在载波频率偏移12kHz至20MHz的范围内整合的，不过该范围并不适用于所有案例。比如，大多数串行IO应用都使用带通抖动滤波器来计算有效的抖动。这种滤波器的截止频率下限范围为300kHz至6MHz，而截止频率上限范围为2.5MHz至20MHz。选择时钟来满足这些应用的抖动要求需要在合适的范围内整合相位噪声。

从历史角度看，振荡器电路中使用的锁相环(PLL)是产生系统抖动的另一个来源。不过，有些MEMS振荡器电路包含高性能小数N分频PLL，这种锁相环可以输出极低抖动所需的精确频率，比得上或者优于固定频率石英振荡器。基于可编程锁相环的石英振荡器会产生更大的抖动，因此仅适用于低精度应用。

可靠性

集成电路以平均故障间隔时间(MTBF，以小时计)为单位划分可靠性等级。还有一个等效的可靠性等级，称为一定时间内的故障数(FIT)。FIT率就是MTBF的数学当量，以1x109/MTBF的结果表示。由于MEMS振荡器采用基于硅片的制造工艺，因此这类振荡器具有半导体级别的可靠性，MTBF约为5亿小时。5亿小时的MTBF转换成FIT率为2。石英振荡器的MTBF一般约为3千万小时。硅片厂商设计的振荡器往往具有更高的可靠性，如图2所示。此外，100%硅振荡器往往具有最高的可靠性。

图1：与石英振荡器相比，SiT9121 MEMS差分LVPECL时钟的电源抑制比(PSRR)。来源：SiTime测得的数据

图2：石英振荡器与硅振荡器的质量和可靠性(FIT率对比)。

振荡器被设计成可在指定温度范围(一般的商业范围为-20°C至+70°C，工业范围为-40°C至+85°C)内可靠地工作。有些振荡器具有扩展的温度范围-55°C至+125°C。选择能够在应用的相应温度范围内工作的振荡器至关重要。当曝露在温度变化的环境中时，石英振荡器的活性会下降，从而导致振荡器停止工作。在高精度应用中，这是一个非常严重的问题。因此，如果客户担心活性下降的问题，则有必要在期望的工作温度范围内对器件进行测试，不过这个步骤会增加成本。MEMS振荡器就没有活性下降的问题。

振动(特别是接近谐振频率的振动)还会产生相位噪声，并且会略微降低频率稳定性，如图3所示。适当的阻尼或安装有助于限制振荡器性能的振动效应。不过，由于具有独特的设计，特定的MEMS谐振器在抑制震动和振动的能力方面高出一个数量级。

图3：MEMS振荡器与石英振荡器的振动容限。

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振荡器类别

有多种类别的振荡器，以满足不同应用的特定要求。以下是提供的不同选择方案的概述。图4介绍了按频率稳定性和价格划分的各种振荡器。标准振荡器(XO)具有很宽的频率范围，适用于不需要精确频率稳定性的某些工业应用、消费类电子应用和计算应用。

图4：按频率稳定性和价格划分的各种振荡器。

对于网络、GPS和具有互联网连接能力的移动设备等应用，在整个工作温度范围内具有提升的频率稳定性至关重要。对于这些应用，最好使用温度补偿振荡器(TCXO)，最大限度地减少由于温度变化引起的频率稳定性变化。50 MHz以下的固定频率石英TCXO可以在-20°C 至+70 °C的范围内实现较高的温度稳定性，不过MEMS TCXO可以在整个工业温度范围(-40°C 至+85°C)内以高成本效益实现低至±0.5ppm的频率稳定性。

压控振荡器(VCXO)对于电信和宽带应用的时钟同步来讲特别有用。输出频率被微调多达±200ppm(石英振荡器)或±1600ppm(MEMS振荡器)。VCTCXO振荡器同时整合了针对电信、网络和无线产品的压控和温控功能。

展频振荡器(SSXO)可能在关注重点为EMI的应用中有用武之地。将振荡器频率扩展到更宽的范围可以减少辐射能量，同时不会对性能产生不利影响。该技术在处理器、存储器和某些串行I/O时钟应用中比较常用。

有时候可能有必要在多协议系统中使用具有可变输出的时钟。MEMS振荡器可以在单个器件中整合多个选定频率，而石英振荡器却无法做到这一点。

在本文的第I部分，我们已经讨论了影响振荡器性能的关键参数，包括频率、频率稳定性、信号模式、抖动和可靠性。我们介绍了MEMS振荡器和石英振荡器都可以设计成满足某些应用的所需规格，而MEMS振荡器的可编程能力则可以实现更高的灵活性，并且可以增加石英振荡器无法提供的功能和振荡器类别。本文第II部分将深入探讨具体应用的设计标准和选择定时器件时要考虑的重要实践因素。

本文来自《电子工程专辑》2012年7月刊，版权所有，谢绝转载。