物聯(lián)網(wǎng)應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)成為常用術語。作為“物聯(lián)網(wǎng)”一部分的設備可以相互無線通信。這通常使用當前的標準來實現(xiàn)，如WiFi、藍牙、Zigbee和5G。物聯(lián)網(wǎng)也改變了對設備本身的要求。今天，每部智能手機都是其他設備的連接節(jié)點。智能家居應用和手腕上的智能手表只是眾多例子中的兩個。

然而，要使這一切順利進行，每個組件都必須符合無線環(huán)境的要求。對于在許多電子應用中提供時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；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、運輸和儲存的費用。

然而，這種趨勢面臨的一個挑戰(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，表面積與厚度的比率不能低于某個值，否則電參數(shù)變得不利。相反，這意味著尺寸非常小時，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，因為后者包含一個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現(xiàn)明顯更高的頻率，因為IC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。

無線應用的最高頻率精度

無線應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進行連接，將偏離標稱頻率的任何偏移保持在最小是很重要的。例如，在藍牙中，最大允許頻率偏差是百萬分之40(ppm)。在任何情況下，在應用程序的整個生命周期中的任何時候都不能超過這個限制。為了確保這一點，開發(fā)者必須使用最壞情況計算來估計所有可能的影響，因此，特別是:

• 25°C時的公差
• 在預期溫度范圍內的穩(wěn)定性
• 電路C不匹配導致的誤差L
• 長期變化
• 負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時的頻率合規(guī)性，規(guī)格中定義了每個石英元件的負載電容。負載電容是生產(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，銀電極的質量通過蒸發(fā)沉積或腐蝕(通過離子轟擊)來校正。

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

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

無錯誤運行的正確電阻

因此，晶體必須很小，并且必須盡可能精確地運行。另一個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ESR最大直接影響電路的振蕩安全系數(shù)(OSF ),因此應盡可能低。

然而，晶體越小，通常ESR越高最大。另一個規(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:重新設計

電力問題導致了另一個不僅限于物聯(lián)網(wǎng)應用的問題。如今，許多重新設計項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，即必須重新設計過去發(fā)布的具有大晶體類型的電路，以便用更小的、當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，應通過測量進行檢查。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，由于過載而導致的故障。

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

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

在涉及大量應用的情況下，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，以確保結果是一個穩(wěn)定的、可靠運行的產(chǎn)品。與此形成對比的是價格更高的振蕩器，其制造商保證所有參數(shù)都符合要求。這個選項提供了最大的精度，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，由于特殊的預處理，它們的長期老化程度特別低。

最后，應該提到的是音叉石英晶體(也稱為時鐘晶體)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鐘發(fā)生器的選項。這使得高頻時鐘有可能在應用的待機階段停止工作，從而顯著降低IC的功耗。與此同時，IC繼續(xù)以32.768 KHz的頻率部分運行，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，時鐘晶體不被認為是用于無線應用的足夠精確的時鐘。然而，由于其功耗低得多，僅為幾A，因此被認為是經(jīng)常需要的待機模式的理想選擇。除此之外，這些時鐘晶體當然也適合所有傳統(tǒng)的實時時鐘應用。

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