石英晶體、矽、陶瓷和LC各材料間特性與差異

石英晶體振盪器和矽材微機電振盪器比較

Crystal, Silicon, Ceramic, and LC Material Properties and Features

  各式各樣的電子設備都需要參考時脈信號來驅動IC，石英晶體元件是參考時脈的來源之一，但它並不是唯一的時脈信號來源。

  其它時脈信號來源包括LC振盪器，它是由電感器(L)和電容器(C)組成，當這兩個元件連接時會產生諧振頻率。CR振盪器則是由電容器(C)和電阻器(R)組成的電路進行充電/放電以產生參考頻率，而陶瓷振盪器主要由鈦酸鉛(PZT)組成的壓電陶瓷來產生參考頻率；Si-MEMS振盪器(矽材微機電振盪器)，它們則是使用微機電系統(MEMS)技術來產生振盪頻率元件，然而各種類型振盪器的選擇主要是取決於應用。 

  陶瓷振盪器，通常用來作為微處理器參考時脈信號以及頻率精度要求不高的低頻需求，陶瓷振盪器頻率範圍大約是在200kHz和100 MHz之間，在室溫下的頻率偏差通常約在0.1%~0.5%左右。陶瓷振盪器具有價格優勢，但是陶瓷振盪器在溫度特性的頻率波動較大，所以總頻率穩定性較低(約±1.1%)。 

  石英晶體振盪器，主要用於需要高頻以及對於高頻精度有要求的應用，例如無線通信設備。然而近年來，Si-MEMS振盪器(矽材微機電振盪器)顯示出其性能的差異，但其各種規格項目之間仍然存在著材料本身的性能差距。

  此篇技術文章中，我們將會逐一說明石英晶體諧振器以及使用各種材料所製造的諧振器間特性差異。

1. 石英晶體與諧振器的比較

  石英晶體和其他材料類型的諧振器均可用來做為產生參考時脈信號的振盪器。例如，使用逆壓電現象的壓電驅動型石英晶體振盪器，主要是透過施加在壓電晶體上的電壓來產生機械應力以產生頻率。靜電驅動型，則是透過同時施加高壓下所產生的靜電來產生頻率。

  然而，在絕大多數的情況，石英晶體與其他材料類型的諧振器之間的差異，主要還是取決於晶體(材料)的特性。

  愛普生提供各種以石英晶體為素材的石英元件(例如，Crystal/Oscillator/RTC Module)，誠如前言所述，石英晶體和其他類型諧振器可以由各種材料製作而成，透過表1彙整並進一步說明各種材料在基本電氣特性的差異。

表1. 材料特性比較表(石英晶體與各種類型諧振器)

1-1. LC和CR諧振器

LC電路諧振器，由電感器(L)和電容器(C)組成，它們適用於需要相對較高頻率和寬頻率調諧範圍的應用。但是，它們的頻率特性既不準確，也不穩定，此外，為了滿足諧振條件，還必須增加低頻的電感，也因為需要大線圈，因此不適合小型化。如果需要小型化時，可以使用由電容(C)和電阻(R)組成的CR諧振器，但是CR諧振器的缺點是很難產生出高頻段的頻率。

1-2. 陶瓷諧振器

陶瓷諧振器，是使用PZT(鈦酸鉛)所製作而成的壓電元件，而這些元件是在高溫下硬化。它們提供比LC振盪器更好的頻率精度，但它們也具有較大的初始/常溫頻率偏差(約±.5%)。因此，它們被廣泛使用於較不重視頻率精度的低頻應用。  

陶瓷諧振器的溫度特性可以透過改變陶瓷材料的組成來調整，使這些諧振器能夠靈活地被採用。另一方面，由於材料成分和生產製造時的些微誤差都將會導致性能變化，因此很難確保再現性。

陶瓷諧振器最突出的特點是其上升時間較快，上升時間會影響振盪電路的元件設計，一般來說，較高的頻率、較低的負載電容和較低的諧振器Q，可以帶來更快的起振時間。如表1所示，陶瓷諧振器的Q值低於石英諧振器和矽(Si)諧振器的Q值，因此陶瓷諧振器在上升時間方面具有其優勢。基於這些特性，陶瓷諧振器被廣泛用於頻率精度不是那麼關鍵的應用中，主要的需求大多是來自於對上升時間有所要求的應用。

1-3. 矽基材諧振器

  矽(Si)基材諧振器，使用單晶矽，其材料的Q值比陶瓷諧振器要來的好，但比石英晶體要來的差。此外，矽諧振器使用半導體製造工藝在晶圓批量加工時，生產成本較低且尺寸較小。

  然而，這種便利、高直通量的生產使得單一諧振器在特性調整變得更為困難，而在製造過程中的些微變化也會直接反映在初始頻率的偏差。

  因此，單一諧振器的頻率精度需要透過補償電路才能得到高精度特性。單晶矽的溫度/頻率(係數)表現出-20至-30 ppm/°C的一階線性度，因而溫度變化對於矽諧振器的頻率精度產生了劇烈的變動，所以當使用矽基材諧振器時，必須透過溫度補償的機制才能讓矽振盪器(Si-MEMS振盪器)提供一定程度的頻率精度。 

1-4. 石英晶體諧振器

  石英晶體，主要是以二氧化矽(SiO2)做為主要的原材，因為其高結晶度以及出色的阻抗特性，使得它們具有高Q值的優異表現。此外，石英是一種多向的異性晶體，根據其切割方式(AT Cut)，產生的溫度特性具有三階的特性曲線，並且在接近室溫的轉折點以及在很寬的溫度範圍可同時具有穩定表現的溫度特性。也因為在製造過程中可以進行頻率調整，因此在初始頻率偏差也非常小(大約幾ppm)。因此，石英晶體諧振器非常廣泛的使用於需要高精度的應用，例如無線通信設備。正如我們所看到的，在選擇最佳頻率元件時，石英晶體諧振器和其他諧振器的材料特性也是需要仔細考慮。

下章節，我們將會解釋使用石英晶體的振盪器以及使用矽材微機電諧振器的振盪器(Si-MEMS振盪器)之間的區別。

2. 石英晶體諧振器和矽諧振器溫度特性的比較

  如同前面提到的溫度/頻率特性，石英晶體材料和矽基材料的溫度特性如圖1所示。

  石英晶體(此處為AT切割方式)在室溫附近具有轉折點，並且可在很寬的溫度範圍內表現出穩定的頻率特性。透過這些溫度特性曲線可以發現這兩種材料的在溫度以及頻率特性的差異，而石英晶體即使在沒有進行頻率調整的前提下，在環境溫度發生變化時，依然可以保持穩定的頻率精度，也因此石英晶體在許多應用被廣泛的採用。 

相較下，矽諧振器溫度特性表現出-20至-30 ppm/°C的一階線性度。當使用具有穩定溫度特性的石英晶體諧振器來構建振盪器時，可以再透過溫度補償來提高石英晶體的溫度/頻率特性。

  石英晶體諧振器可於生產製造時各自被調整到所需的頻率，所以初始偏差也僅在ppm範圍的變化。   

  然而，矽諧振器在晶圓上進行批量處理以實現最大生產直通量，除非逐一進行調整，否則在初始頻率偏差量將會產生比石英晶體諧振器更大的變動量，這是一個耗費生產時間與成本的過程。

  基於上述的原因，矽材微機電振盪器(Si-MEMS諧振器)內部大多被設計帶有補償電路以補正並提高其頻率穩定性，但在電路側將具有比石英晶體更大的負載(功耗)。因此，石英晶體與矽諧振器的特性存在顯著優劣差異。

3. 石英晶體振盪器和矽材微機電振盪器相關特性

  因應不同的應用，對於參考時脈信號的要求也有所不同，在振盪器的選擇而言，大多會是考量其初始頻率偏差、頻率/溫度穩定性以及雜訊和抖動特性等參數。

  矽材微機電振盪器(Si-MEMS振盪器)主要是透過週邊補償電路來補正其矽諧振器的溫度/頻率特性，以提高頻率穩定性。用於補償功能的週邊電路稱為「分數型乘除法器PLL電路」（Frac-N PLL）。

Frac-N PLL是一種鎖相迴路，它使用小數分頻器產生輸入頻率的倍數來改變輸出頻率。並透過此方法來改變矽諧振器各溫度點的頻率，使用溫度補償功能來對輸出信號的振盪頻率進行補正與控制。

上述所說明的溫度補償圖例，如下圖2所示。 

圖2中紅色特性曲線採用分數型乘除法器PLL電路(Frac-N PLL)，以及運用溫度補償後的特性。

  如前所述，矽諧振器的溫度特性出一階線性，因此可以根據簡單的補償公式進行自我補償，但由於矽諧振器比石英晶體諧振器的溫度特性具有更大的變動差異，因此透過類比溫度補償是不可能的，所以將使用的溫度區域劃分為較小的區域，並在改變每個區域中的頻率解調器的同時，透過分數型乘除法器PLL電路，得以實現更細微的補償。

  然而，當去倍增比進行切換時，會發生如圖2所示的不連續的頻率跳躍。這將導致輸出信號的相位在振盪頻率的不連續溫度點發生變化，導致雜訊和抖動特性下降。

  當矽諧振器用於以相位調變技術所進行訊號通信的無線設備時，在存在雜訊的情況下不可能進行正確的調變/解調，因為這可能會妨礙數據傳輸的準確性和訊號接收的穩定性。 

  基於石英晶體諧振器的振盪器即使在沒有溫度補償的情況下也可以在很寬的溫度範圍內使用。此外，由於它們不使用PLL進行溫度補償(即使在使用PLL電路改變去倍比的產品中也僅使用基本波振盪頻率），因此石英晶體振盪器可以在一定溫度範圍內保持石英晶體穩定的溫度特性曲線(沒有不連續的跳頻現象)。因此，雜訊和抖動特性不會下降，使得在無線設備出現問題的可能性極低。

  當然，也可以改變矽諧振器本身的設計(例如，控制尺寸或改變電極材料)，並應用溫度補償功能於各個單一矽諧振器，並僅更改初始值的減倍比，但這最終會稀釋矽振盪器(Si-MEMS振盪器)原先所享有的優勢，例如高直通量和低生產成本。

  最後，由於近年來，通信設備產業對於石英晶體諧振器以及其他諧振器的需求持續在增加，有鑒於這個趨勢，對於即使不進行調整也能提供穩定特性的石英晶體諧振器的需求正在持續增加。而用戶在選擇時脈元件時，更需要充分瞭解其材料的特性，以便為其應用選擇最佳時脈元件。

  愛普生將持續擴大並增強更可靠的石英晶體元件陣容，以滿足各項產業需求。