作者：Poornima Apte

投稿人：DigiKey 北美編輯

計時產(chǎn)品幾乎無處不在，是現(xiàn)代社會的一個重要組成部分。精確計時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)。封裝時鐘模塊通常同時包含晶體和控制 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)字溫度補償晶體振蕩器 (DTCXO) 和實時時鐘 (RTC)。

決定 kHz 晶體選型的因素

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

其中包括：

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

kHz 晶體通常會有專用集成電路 (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)計提供堅實的起點。電子電路小型化的趨勢意味著設(shè)計師需要格外關(guān)注上述因素，因為元器件的尺寸和密集封裝會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影響其高效運行所需的參數(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)力或日常運行時表面產(chǎn)生的應(yīng)變，仍可能出現(xiàn)頻率偏差。頻率偏差可通過評估三個參數(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 時的實際頻率與標(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）并進行相應(yīng)校準(zhǔn)。最后，老化是指頻率隨時間的漂移。密封可減少老化效應(yīng)，但可能會增大尺寸。

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。（圖片來源：Epson 通過 IEEE 提供）

負載電容 (CL)

晶體兩個端子之間的電容就是其負載電容。設(shè)計師需要考慮外部雜散電容，因為其會導(dǎo)致頻率漂移。

使用尺寸更小的晶體時，關(guān)注 CL 與電路電容的不匹配問題尤為重要，因為小尺寸晶體對電容變化更敏感。低 CL 值的晶體對頻率也特別敏感。為在狹小空間設(shè)計小型電路，設(shè)計工程師通常會選擇 CL 值較大的晶體。

驅(qū)動電平 (DL)

DL 是指在將結(jié)構(gòu)損壞降至最低的同時，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)計師不僅要考慮整個電路的工作溫度，還需考慮晶體在電路中的位置，因為有些區(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)計中表現(xiàn)出色，在需要高穩(wěn)定性或低功耗的應(yīng)用場景中也能發(fā)揮優(yōu)勢。

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] 實時時鐘是多功能、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)有多達三個事件輸入，可在 MCU 處于休眠模式時檢測事件并記錄時間戳，從而降低系統(tǒng)功耗，延長電池壽命。這些模塊可以 FIFO 模式或直接模式記錄 32 個事件的時間戳。它們在 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。這些模塊的時間分辨率可達 1/1024 秒，在 -40°C 至 +105°C 的整個工作溫度范圍內(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]實時時鐘（圖 3）采用數(shù)字溫度補償晶體振蕩器 (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 ±3.4 ppm 或 ±8 ppm。

圖 3：Epson RX8804 系列低功耗實時時鐘在寬溫度范圍內(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)字溫度補償晶體振蕩器是一款精密頻率基準(zhǔn)源，適用于消費和工業(yè)應(yīng)用，包括物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、移動設(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 的精確時間精度使設(shè)備能夠更長時間進入睡眠狀態(tài)，減少喚醒次數(shù)，從而延長電池續(xù)航時間。此外，這款獨立的數(shù)字溫度補償晶體振蕩器無需任何軟件更改，就能顯著改善 MCU 或 RTC 的計時性能，從而節(jié)省設(shè)計人員的時間和資源。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

晶體、振蕩器、實時時鐘和數(shù)字溫度補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。