作者：Poornima Apte

投稿人：DigiKey 北美編輯

計(jì)時(shí)產(chǎn)品幾乎無處不在，是現(xiàn)代社會(huì)的一個(gè)重要組成部分。精確計(jì)時(shí)需要像石英晶體這樣能以精確頻率振蕩的器件，以及控制器件的集成電路 (IC)。封裝時(shí)鐘模塊通常同時(shí)包含晶體和控制 IC。電子振蕩器電路的頻率范圍從千赫茲 (kHz) 到兆赫茲 (MHz) 不等。

kHz 晶體既可以單獨(dú)銷售，也可以集成到其他產(chǎn)品中，如晶體振蕩器 (CXO)、數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 (DTCXO) 和實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)。

決定 kHz 晶體選型的因素

在為應(yīng)用選擇 kHz 晶體時(shí)，尺寸和所需頻率是最重要的考慮因素，但其他一些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)合適的電路也至關(guān)重要。

其中包括：

• 頻率容差、穩(wěn)定性和老化
• 負(fù)載電容 (CL)
• 等效串聯(lián)電阻 (ESR)
• 驅(qū)動(dòng)電平 (DL)
• 工作溫度

kHz 晶體通常會(huì)有專用集成電路 (ASIC) 的要求，其中列出了所需參數(shù)的值。ASIC 信息可為電路設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的起點(diǎn)。電子電路小型化的趨勢(shì)意味著設(shè)計(jì)師需要格外關(guān)注上述因素，因?yàn)?a target="_blank">元器件的尺寸和密集封裝會(huì)影響晶體的特性和性能。不過，光刻制造工藝確保了晶體振蕩器電路的小型化不會(huì)影響其高效運(yùn)行所需的參數(shù)。

頻率容差、穩(wěn)定性和老化

雖然晶體規(guī)定了特定頻率，但由于制造過程中的應(yīng)力或日常運(yùn)行時(shí)表面產(chǎn)生的應(yīng)變，仍可能出現(xiàn)頻率偏差。頻率偏差可通過評(píng)估三個(gè)參數(shù)來概括：頻率容差、頻率穩(wěn)定性和老化。

頻率容差定義為晶體在 +25°C 時(shí)的實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率之間的差值。頻率穩(wěn)定性是指在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，由溫度引起的最大頻移。為了提高晶體的精度，建議使用 kHz XO，其能考慮到頻率隨溫度的變化（圖 1）并進(jìn)行相應(yīng)校準(zhǔn)。最后，老化是指頻率隨時(shí)間的漂移。密封可減少老化效應(yīng)，但可能會(huì)增大尺寸。

圖 1：振蕩器頻率隨溫度變化，在選型過程中需要考慮這一因素，尤其是應(yīng)用于極端環(huán)境時(shí)。（圖片來源：Epson 通過 IEEE 提供）

負(fù)載電容 (CL)

晶體兩個(gè)端子之間的電容就是其負(fù)載電容。設(shè)計(jì)師需要考慮外部雜散電容，因?yàn)槠鋾?huì)導(dǎo)致頻率漂移。

使用尺寸更小的晶體時(shí)，關(guān)注 CL 與電路電容的不匹配問題尤為重要，因?yàn)樾〕叽缇w對(duì)電容變化更敏感。低 CL 值的晶體對(duì)頻率也特別敏感。為在狹小空間設(shè)計(jì)小型電路，設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)選擇 CL 值較大的晶體。

驅(qū)動(dòng)電平 (DL)

DL 是指在將結(jié)構(gòu)損壞降至最低的同時(shí)，維持穩(wěn)定振蕩所需的電流量。建議選擇 DL 值等于或超過給定電路驅(qū)動(dòng)電平的晶體，以避免頻率不穩(wěn)定或過早失效。

工作溫度

溫度對(duì)頻率的影響超出了頻率穩(wěn)定性指標(biāo)所規(guī)定的范圍。設(shè)計(jì)師不僅要考慮整個(gè)電路的工作溫度，還需考慮晶體在電路中的位置，因?yàn)橛行﹨^(qū)域比其他區(qū)域更容易發(fā)熱。此外，電路和晶體越小，元器件封裝越緊密，整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量就越多。在這種情況下，最好使用能在一定溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)得更好的晶體，如 DTCXO 或 RTC 產(chǎn)品。DTCXO 和 RTC 模塊在緊湊型設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出色，在需要高穩(wěn)定性或低功耗的應(yīng)用場(chǎng)景中也能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

kHz 晶體及相關(guān)模塊

[Epson] 生產(chǎn)大量 kHz 晶體，以及 DTCXO 和 RTC 模塊。下面簡(jiǎn)要介紹其中幾種產(chǎn)品及其規(guī)格。

[FC3215AN 系列] 是 32.768 kHz 晶體，等效串聯(lián)電阻低至 35 kΩ，采用緊湊型封裝，非常適合便攜式電子產(chǎn)品和空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景。FC3215AN 系列適用于多種應(yīng)用，如無線模塊、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、工業(yè)、安防監(jiān)控設(shè)備、智能電表、消費(fèi)電子以及低功耗 MCU 應(yīng)用。該系列產(chǎn)品支持 -40°C 至 +105°C 的擴(kuò)展工作溫度范圍，采用 3.2 mm x 1.5 mm x 0.9 mm 封裝和標(biāo)準(zhǔn)引腳分配。

[FC2012AN 系列] 32.768 kHz 晶體與 FC3215AN 系列規(guī)格相似，但采用更小的 2.05 mm x 1.2 mm x 0.6 mm 封裝和標(biāo)準(zhǔn)引腳分配。同樣，[FC2012SN 系列] 晶體（圖 2）非常適合各種應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備、MCU，以及物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、工業(yè)、安防、智能電表等領(lǐng)域的無線模塊。

圖 2：Epson FC2012SN 系列晶體的工作溫度范圍為 -40°C 至 +105°C，采用 2.05 mm x 1.2 mm 緊湊型封裝。（圖片來源：Epson）

Epson 的 [RX8901CE 和 RX4901CE] 實(shí)時(shí)時(shí)鐘是多功能、高精度且低功耗的模塊，非常適合智能電表、安防設(shè)備以及智能照明應(yīng)用。該集成系統(tǒng)有多達(dá)三個(gè)事件輸入，可在 MCU 處于休眠模式時(shí)檢測(cè)事件并記錄時(shí)間戳，從而降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池壽命。這些模塊可以 FIFO 模式或直接模式記錄 32 個(gè)事件的時(shí)間戳。它們?cè)?3 V 電源下僅消耗 240 nA 電流，并且內(nèi)置電源切換電路，無需外部二極管，避免了二極管的損耗。這些模塊的時(shí)間分辨率可達(dá) 1/1024 秒，在 -40°C 至 +105°C 的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)都能保持穩(wěn)定。RX8901CE 配備 I2C 接口，而 RX4901CE 則提供 3 線或 4 線 SPI 接口。

[RX8804 系列]實(shí)時(shí)時(shí)鐘（圖 3）采用數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 (DTCXO) 技術(shù)，在 -40°C 至 +85°C 或 -40°C 至 +105°C 的溫度范圍內(nèi)，精度分別可達(dá) ±3.4 ppm 或 ±8 ppm。

圖 3：Epson RX8804 系列低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘在寬溫度范圍內(nèi)具有高精度。（圖片來源：Epson）

RX8804 系列功耗極低，典型值為 0.35 μA，采用 3.2 mm x 2.5 mm x 1.0 mm 的表面貼裝陶瓷封裝，并且內(nèi)置晶體。

最后，Epson 的 [TG-3541CE]32.768kHz 數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器是一款精密頻率基準(zhǔn)源，適用于消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用，包括物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、傳感器、GPS/GNSS、公用事業(yè)儀表以及數(shù)字健康設(shè)備。特別在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，TG-3541CE 的精確時(shí)間精度使設(shè)備能夠更長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)入睡眠狀態(tài)，減少喚醒次數(shù)，從而延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。此外，這款獨(dú)立的數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器無需任何軟件更改，就能顯著改善 MCU 或 RTC 的計(jì)時(shí)性能，從而節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和資源。TG-3541CE 的功耗低至 1.0 μA，采用 3.2 mm x 2.5 mm x 1.0 mm 的表面貼裝陶瓷封裝。

結(jié)語(yǔ)

晶體、振蕩器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器是頻率控制應(yīng)用中的重要元器件。無論是無線模塊、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品、個(gè)人醫(yī)療設(shè)備還是工業(yè)設(shè)備，Epson 的產(chǎn)品都能提供滿足應(yīng)用特定需求的解決方案。