晶体和振荡器满足更严格的汽车和通信要求

一旦数字系统站稳脚跟，振荡器就会移到基于微处理器的系统的前端和中心，以提供时钟信号和频率稳定性。在振荡器中使用石英晶体提供了高频稳定性。小型化以及对在更宽的工作温度范围内要求更严格的频率容限的高性能电子设备的需求推动了技术和产品的改进。汽车电子和无线通信是两个最大的市场驱动因素。

例如，振荡器目前广泛用于汽车应用，如制动控制、防抱死系统、安全气囊和轮胎压力监测系统。它们还越来越多地用于高级驾驶辅助系统 （ADAS）、光检测和测距 （LiDAR）、GPS 系统、发动机控制、车载以太网以及需要精确计时解决方案和严格频率稳定性的自动驾驶应用。

时序和时钟对于 4G 和 5G 网络的高数据速率传输至关重要，因此对振荡器的需求更大。它们也是 SONET SDH 等系统中最关键的组件之一，这些组件需要高稳定性的系统时钟来防止时差或数据丢失。

振荡器用于各种应用，包括智能可穿戴设备、手机、视频游戏和有线电视系统等消费电子产品。其他不断增长的应用包括空间跟踪、传感器、测量仪器、定时器、锁相环系统、医疗设备、示波器和信号发生器。

晶体和振荡器这个市场上有许多制造商，重要的是要注意还存在其他类型的振荡器，例如不是基于晶体且通常用于高振动环境的 MEMS 振荡器。硅 MEMS 振荡器更紧凑，功耗更低，效率更高。

例如，京瓷公司生产各种晶体产品，包括晶体单元和晶体振荡器。该公司以其产品独特的结构、低电流消耗和缩短交货时间来解决物联网 （IoT） 细分市场。它提供时钟振荡器 （XO）、压控晶体振荡器 （VCXO）、温度补偿晶体振荡器 （TCXO） 和千赫范围的晶体器件。

包括CX3225SB 在内的表面贴装型晶体单元是一种微型薄型晶体，专为数字电子、移动通信、消费产品以及汽车音响和配件等应用而设计。

在晶振领域，KT2520K 是一款微型 2.5 × 2 × 0.8-mm TCXO，提供 ±2.0 × 10 –6 /–30°C 至 85°C 和 ±0.5×10 –6 /–30°的频率特性C 至 85°C（用于全球定位系统或 GPS）。目标应用包括 GPS 单元、移动通信、W-LAN 和低功率无线电通信。

Silicon Labs 还拥有广泛的产品组合。其最新的两个晶体振荡器包括Si56x Ultra 系列 VCXO 和 XO 以及 Si54x Ultra 系列 XO。Si56x 适用于需要超低抖动振荡器的下一代高性能计时应用。VCXO/XO 可以定制为 3 GHz 的任何频率，这是 Silicon Labs 以前的 VCXO 产品的工作频率范围的 2 倍，抖动只有一半。该系列具有典型相位抖动低至 90 fs 的器件。

相比之下，Si54x Ultra 系列 XO 系列针对需要更严格稳定性和保证长期可靠性的应用。其中包括光传输网络 （OTN）、宽带设备、数据中心和工业系统。Si54x XO 用作低抖动参考时钟，可最大限度地提高信噪比 （SNR） 裕量、最大限度地减少误码并增强信号完整性。它具有低至 80 fs 的典型相位抖动。

IQD Frequency Products 最近推出了IQOV-220 OCXO，具有高稳定性和低相位噪声的特点。在 –40°C 至 85°C 的整个工业温度范围内，频率稳定性性能低至十亿分之 ±0.5 （ppb），短期稳定性为 0.5 ppt （tau = 1 s）。IQOV-220 适用于高性能合成器、网络时钟、雷达和卫星通信。

 

IQOV-220 是采用密封封装的高稳定性 OCXO，具有出色的相位噪声和艾伦偏差。

在 MEMS 方面，Microchip Technology 声称其 DSA 系列汽车级 MEMS 振荡器 与传统石英晶体器件相比，其可靠性提高了 20 倍，抗冲击性提高了 500 倍，抗振性提高了 5 倍。多输出 MEMS 振荡器可以用一个设备代替多个晶体或振荡器。DSA1001、DSA11x1、DSA11x5 和 DSA2311 系列成员可在 2.3 MHz 至 170 MHz 频率范围内的恶劣环境中抵抗机械冲击和震动。这些器件符合 AEC-Q100 标准，在 –40°C 至 125°C 的温度范围内提供 ±20-ppm 的稳定性。

与传统的石英晶体器件相比，DSA 系列汽车级 MEMS 振荡器具有更高的可靠性和更大的冲击和振动耐受性。

对于 5G 应用，SiTime Corp. 提供一系列基于 MEMS 的定时和同步解决方案，这些解决方案具有高可靠性、严格的稳定性以及能够承受恶劣环境条件的能力。SiTime 的 Elite 系列Super-TCXO 在 1 MHz 至 220 MHz 的频率范围内提供严格的稳定性（±0.1 ppm 至 ±2.5 ppm）。它们可以在 5G 和 IEEE 1588 同步应用中替代基于石英的 OCXO 和 TCXO。这些器件还提供 30 倍更好的动态稳定性、I 2 C 数字频率调谐和片上电源噪声过滤。这些器件的工作温度范围为 –40°C 至 105°C，这对于预计在更热环境中运行的 5G 应用非常重要。

深空晶体振荡器 晶体振荡器已取得进展的一个例子是它们在 2019 年 6 月 24 日发射的美国宇航局喷气推进实验室的深空原子钟 （DSAC） 中的使用。现在在太空中的小型化、低质量原子钟是比以前任何可能的方法都更加准确和稳定。稳定性决定了时钟测量时间的一致程度而不漂移。

石英晶体本身的振荡频率不足以进行深空导航。据美国国家航空航天局称，石英晶体振荡器在六周内损失了整整一毫秒。换个角度来看，原子钟需要十亿分之一秒的精度。现在在轨的 DSAC 不仅仅使用汞原子的振荡；它还使用带电汞离子，其稳定性比 GPS 卫星上的时钟高 50 倍。

如果石英振荡器在空间中偏离频率，则由原子确定的校正将应用于石英振荡器，以将其引导回正确的频率。与 GPS 卫星上使用的原子钟每天两次更新相比，这种类型的校正在 DSAC 中每隔几秒计算一次并应用于石英振荡器。

晶体单元、晶体振荡器和 MEMS 振荡器的应用继续快速增长。特别是在 5G 无线电等汽车和电信应用的推动下，设计人员可以期待更新的设备能够提供更高的无线电同步可靠性，以满足对更少服务中断和更好用户体验的需求。　　

      审核编辑：彭静