低頻振蕩電路新常識

目錄

1. 電子器械產品的市場變化趨勢

2. 音叉型晶體單元與半導體工藝技術的變化趨勢

3. 小型化對特性的影響及其對策

3-1. 因 CI 值(晶體阻抗；Crystal Impedance)的增大而造成的振蕩穩定性下降

3-2. 振蕩頻率的偏移

3-3. 因微機（MPU）的低電壓化而造成的振蕩故障 3-4. 晶體振蕩器

4. Epson Toyocom 的 kHz 頻帶整體解決方案之介紹

4-1. 音叉型晶體單元

（1）音叉型晶體單元產品陣容

4-2. 32.768 kHz 振蕩器

（1）32.768 kHz 晶體振蕩器產品陣容

1. 電子器械產品的市場變化趨勢

近年來，隨著降低環境負荷意識的日益高漲，既能維持電子器械產品的高性能，又能通過設備儀器的小 型化減少原材料以及徹底降低耗電量的市場需求愈來愈多。電子部品（電子元器件）的市場變化也與此相同， 做為基準時鐘的水晶元器件也要求具備小型、低耗電、高精度及高可靠性。這不是單純的縮小部品尺寸的問 題，縮小尺寸意味著出現新的課題并使原有課題更為突出。

表 1 匯總了各主要用途對 kHz 頻率范圍晶體單元（音叉型晶體單元）的主要要求。如表中所示，音叉 型晶體單元主要用于機器的時鐘、微機副時鐘及定時，做為必須元器件被廣泛用于各種用途中。從表中可以 看出，任何市場對小型、低耗電、高精度、高可靠性的要求都存在著增長趨勢。

2. 音叉型晶體單元與半導體工藝技術的變化趨勢

圖 1 顯示了音叉型晶體單元的尺寸的變化趨 勢。從過去的 20 年中可以看出，體積從約 150 mm3 縮小到約 1.5 mm3，急劇下降到最初的 1/100，小 型化在不斷進展。我們認為今后研究開發也將向更 小型化的方向發展。

圖 2 顯示 了內藏振蕩 電路的低功耗微機 （MPU）的設計規則細微化的變化趨勢。

以前的設計規則為 0.2 μm～0.3 μm，且通常使用電源電壓 VDD=1.8 V～3.0 V驅動。但近幾

年，隨著細微化以及低電壓化的進展，已躍進到 0.1 μ m～0.15 μm、VDD=1.5 V～1.8 V 驅動的領域。

另外，待機時的功耗要求等級也從以前的 0.3 μW 左右降至近年來的 0.1～0.2 μW。我們認為：為了降 低成本而不斷進展的設計規則的細微化以及為了降低 功耗而引起的低電壓驅動化，是時代所期盼的變化趨勢 將不會停滯。

由于上述音叉型晶體單元與半導體生產技術的變 化趨勢，本公司的技術支持部隊已收到了如下所示的眾 多故障事例：

· 因音叉型晶體振蕩單元的 CI 值增大造成振蕩穩定性的惡化。

· 因音叉型晶體振蕩單元的頻率敏感性的提高造成振蕩頻率的偏移。

· 因半導體設計規則的細微化以及低電壓化， 造成抗電源噪音的性能降低或引起振蕩裕度（ oscillation allowance）不足，無法得到穩定的振蕩。

接下來在下一章中就這些伴隨小型化、低電壓化而引起的音叉型晶體單元所特有的注意點進行說明。

3. 小型化對特性的影響及其對策

3-1. 因 CI 值(晶體阻抗；Crystal Impedance)的增大而造成的振蕩穩定性的下降

如將晶體單元的諧振狀態置換成電氣電路，可以 得到如圖 3 所示的晶體振蕩單元的等效電路，CI 值相 當于等效電路的 R1。通常將晶體振蕩單元小型化時， CI 值會變大。這時，晶體振蕩單元的 CI 值對振蕩電 路的影響及其對策如下所示。

【影響】

CI 值較大時起振或停止電壓會變高。即會出現即 使增大電壓也難以起振、電壓稍下降振蕩就會變得不 穩定或停止振蕩的現象。

而且 CI 值是晶體振蕩單元單體中的諧振頻率的等效阻抗，對振蕩的不穩定或不振蕩產生影響的、決 定振蕩裕度的重要參數之一。

【對策】

首先，需要確保衡量振蕩電路能否穩定振蕩的尺度的振蕩裕度在 5～10 以上。這項振蕩裕度可用 圖 4 的振蕩電路的負阻抗（CI）除以晶體振蕩單元的等效串聯阻抗（ r）的最大值來表示。

當振蕩裕度不足時，將出現如上所述的延遲起振時間或起振電壓變高的故障。而且，當振蕩裕度明 顯不足時，振蕩將陷入不穩定或不起振的狀態。

為了提高振蕩裕度，以下兩種方法較為有效：

①通常改善負阻抗的方法較為有效，根據圖 5 所 示的振蕩電路部分功耗與負阻抗之間的關系，可使用 增加振蕩部電流的方法來解決，但這種方法存在增加 耗電量的缺點。

②使用 CI 值較小的石英晶體也可以改善振蕩裕 度，但如上所述，通常晶體振蕩單元的小型化將使 CI 值變大。

盡管小型化與振蕩的穩定相對立，但本公司使用 “QMEMS”技術，采用了既小型又能抑制 CI 值的設 計。本公司根據客戶的需求，推出了規格尺寸豐富多 樣的晶體振蕩單元陣容，可以為您提供系統最佳部件， 支持尊貴客戶的高度設計品質。

3-2. 振蕩頻率的偏移

隨著振蕩器尺寸的小型化，頻率敏感度將變高。 實裝到產品基板時振蕩頻率可能偏移所期待值。以下說 明其影響及對策。

圖6電容特性

【影響】

晶體振蕩單元的頻率隨振蕩電路的負載電容而變化。 這種變化被稱為“頻率與負載電容特性”。負載電容如式 1)所示，由振蕩電路的電容值和雜散電容量而決定。

頻率與負載電容特性如圖 6 所示，隨振蕩器的規格尺寸而不同。頻率的精度隨著振蕩器尺寸的小型化，電容容量每 1pF 的頻率敏感度將變高（曲線的傾斜變得急?。?，因此受到每 塊基板的雜散容量不均的影響，頻率容易變動。即振蕩頻率的 偏移變大。

這種情況下晶體振蕩電路的對策如下所示。

式1) CL≈Cg×Cd/(Cg+Cd)+Cs （Cs:電路的雜散容量）

【對策】

圖 7 為使用 CMOS IC 的、通常的晶體振蕩電路。

通過改變此圖中的柵極容量 CG、漏極容量 CD，可以調整振 蕩頻率。因此，可采取以下方法：

①選擇 CG、CD 的不均較小的電容；

②選擇敏感度低的晶體振蕩單元。

用上述觀點選擇部品，就能得到穩定的頻率精度。

本公司產品使用“QMEMS”技術，采用了既小型又能抑制敏 感度和每個產品的不均的設計。

使用這樣的產品也是有效手段之一。

3-3. 因微機（MPU）的低電壓化而造成的振蕩故障

(1)低耗電微機（MPU）開發的變化趨勢

產品端末的小型、低耗電、多功能化正在不斷進展，對被廣泛使用于各種用途的 MPU 的要求也一樣。 針對這些要求，MPU 的產品開發著重于以下方面：

·半導體芯片數的減少，單芯片化；

·所采用的設計規則的細微化（參照圖 2）； ·低電壓、低耗電化。

（2）32.768kHz 振蕩電路的低耗電化

與這種開發的進程相對照，對 32.768kHz 振蕩電路也產生了各種制約。特別是 32.768kHz 時鐘在 MPU 內一直處于工作狀態，因此被視為最需要做到低耗電的功能。

其中，做為今后的應用領域得到矚目的傳感網絡以及生態產品需要在電池驅動下長時間工作，所以這 種傾向更為顯著。

最近，為了實現 32.768kHz時鐘的低耗電化，各半導體制造廠商對 32.768kHz 振蕩電路采用了如下

所示的各種手法。圖 8 為振蕩電路塊的構造例之 一，半導體制造廠商的規格各不相同。

? 采用可變倒相放大器（電壓增益可變、內部 倒相放大器數可變）

? 采用可變內藏電容

? 采用減少倒相放大器 ON 時直通電流的程序

【影響】

由于上述兩項變化趨勢，低耗電量化正在不斷進展，但負面容易受到以下的影響： ·對噪音較弱；

·振蕩頻率不準；

·無法確保振蕩裕度。

為了實現低耗電以及穩定的振蕩，對半導體、基板、晶體振蕩單元進行適當的評價將變得愈益重要。

【對策】

重要的是在產品設計的階段中，使用實際采用的半導體、電路基板、晶 體振蕩單元進行振蕩電路評價試驗。振蕩電路評價試驗可要求晶體振蕩單元 制造廠商進行。首先，基板設計將成為重點。設計基板時，請注意以下事項： （參照圖 9）

① 振蕩電路（振蕩單元、振蕩電容）應配置在振蕩 IC（MPU 等）附近；

② 基板布線應最短且不交叉（20 mm 以內）；

③ 在晶體振蕩單元的下部基板配置 GND；

④ 多層基板時，晶體振蕩單元的下部內層中不配置其它信號線。

如果設計中不注意以上事項，將引起不起振、振蕩不穩定、頻率不準等 各種故障，請注意。

Epson Toyocom 與半導體制造廠商一起推進參照活動，在本公司的網站中已登載了以下要點： ·半導體電路的構成；

·我方推薦的、與半導體相匹配的晶體振蕩單元； ·設計基板時的注意事項。

3-4. 晶體振蕩器

與前項“對策”的手法不同，設計中使用“晶體振蕩器”也是非常有效的對策。 晶體振蕩器是集晶體振蕩單元和振蕩電路為一體的產品，具有如下優點：

?內藏振蕩電路，所以振蕩動作、頻率精度、振蕩波形等特性處于最佳狀態即可使用； ?不需要變更振蕩電容的電路常數等，也不需要整塊基板的電路評價；

?穩定振蕩與低耗能工作這兩項相峙的要求，已調節匹配達到最高的平衡。

由于所具有的這些特征，能夠大幅度地降低難度不斷增加的低頻振蕩電路的設計工數以及設計風 險。

而且，Epson Toyocom 既將晶體振蕩單元與振蕩電路匯成一體構造，又開發出了 2.2×1.4×1.0t mm 的小型規格的 SG-3050BC。尺寸小，且只需接電源就能發揮功能，能為提高實裝區域的自由度做 出貢獻。

上述產品能夠同時提供小型及優越的振蕩特性。

【Epson Toyocom 的進取】

綜本章所述，隨著晶體振蕩單元的小型化的進展，CI 值、特性不均、頻率敏感性等性能隨之惡化，電 路設計更為困難。Epson Toyocom 使用被稱為“QMEMS”的核心技術，設計并生產出可以同時實現小型及 高性能的音叉型晶體振蕩單元，為小型、高性能的應用開發奉獻力量。

生產音叉型晶體振蕩單元時，我們沒有采用生產中通常使用的機械加工方式，而是采用了具有 30 年歷 史與實際成果的光刻加工進化發展而成的 QMEMS 技術，通過三維加工使晶體芯片的外形與電極的形成實 現小型、高精度，精心設計使音叉型晶體振蕩單元的特性達到最佳。

因此，能為客戶提供具有以下特性的音叉型晶體振蕩單元：

?使用晶片蝕刻工藝控制芯片形狀的不均（抑制 CI 値、頻率精度的不均）；

?音叉的振動臂上形成三維體槽，增大電極面積從而實現低 CI 值； ?進行精細加工生產更小型的產品。

使用上述 QMEMS 技術，為您準備了能夠盡量減少您的設計及品質等方面的風險的產品陣容。

今后，我們也將不斷推進 QMEMS 技術的進化，努力開發并提供更小型、更高性能的晶體元器件。

* QMEMS 是 Epson Toyocom 的注冊商標。

4. Epson Toyocom 的 kHz 頻率范圍整體解決方案之介紹

Epson Toyocom 做為晶體元器件的引領企業，以 kHz 領域中壓倒群芳的銷售成果為基礎，最先開發 出小型、薄型化的產品，以包括振蕩單元以及振蕩器的整體解決方案為客戶的產品開發做貢獻。

4-1. 音叉型晶體單元

（1）音叉型晶體單元產品陣容

Epson Toyocom 的 kHz 頻帶音叉型晶體單元的陣容如下。從柱形到可以自動實裝的 SMD 型，品種 充實，可以應用在各種用途。特別是小型主力機種的 MC-146、FC-135 為世界標準規格尺寸。而且又于

2007 年 3 月將超小型，又具備高精度、低 CI 值、低敏感度的 FC-12M 推向了市場，應對越來越強烈的 小型化市場需求。

■ kHz 頻帶音叉型晶體單元一覽

■小型產品規格概略

■FC 系列小型化的變化趨勢

4-2. 32.768 kHz 振蕩器

（1）32.768 kHz 晶體振蕩器產品陣容

Epson Toyocom 除了為您準備了 32.768 kHz 音叉型晶體單元商品陣容以外，還將 32.768 kHz 晶體振蕩器商品化，與音叉型晶體振蕩單元同樣可被應用于各種用途。至今為止，特別是小型的主力 機種：SG-3030LC 為眾多顧客的商品開發做出了貢獻。

在此之上，本公司還開發出了世界最小尺寸的 32.768 kHz 晶體振蕩器：SG-3050BC，其性能 比本公司原有產品更高一籌。

■ 32.768 kHz 晶體振蕩器一覽

■ 32.768 kHz 晶體振蕩器規格概略

■ 32.768 kHz 晶體振蕩器小型化的變化趨勢

【關于 Epson Toyocom】

Epson Toyocom 公司是于 2005 年 10 月由精工愛普生株式會社的水晶事業與東洋通信機株式 會社的事業合并成立的公司。

對于以水晶為基礎的“定時元器件”、“傳感元器件”及“光學元器件”，以將這三種元器件各 自展開的“橫向展開”以及將三種元器件組合的“垂直展開”為概念的“3D 戰略”，在全球范圍 內，從手機終端的民用領域到通訊基干、車載等產業領域，為廣大客戶提供商品，立志成為水晶元 器件行業的引領公司。

本公司的“定時元器件”做為具有高精度、高穩定性的水晶石英產品，被用于做為各種儀器 設備的基準信號源。 KHz 頻帶的音叉振動； 約 100MHz 以下為利用厚度振動的 AT 型晶體；幾百 MHz 頻帶中有應用了AT 振動技術的高頻基波模式（High Frequency Fundamental ；HFF）以及 表面聲波（Surface Acoustic Wave；SAW），至今為顧客提供 kHz 至 2.5GHz 頻帶的各種商品。