作者：Poornima Apte

投稿人：DigiKey 北美編輯

計時產品幾乎無處不在，是現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品中，如晶體振蕩器 (CXO)、數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，但其他一些參數對于設計合適的電路也至關重要。

其中包括：

• 頻率容差、穩定性和老化
• 負載電容 (CL)
• 等效串聯電阻 (ESR)
• 驅動電平 (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的值。ASIC 信息可為電路設計提供堅實的起點。電子電路小型化的趨勢意味著設計師需要格外關注上述因素，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。

頻率容差、穩定性和老化

雖然晶體規定了特定頻率，但由于制造過程中的應力或日常運行時表面產生的應變，仍可能出現頻率偏差。頻率偏差可通過評估三個參數來概括：頻率容差、頻率穩定性和老化。

頻率容差定義為晶體在 +25°C 時的實際頻率與標稱頻率之間的差值。頻率穩定性是指在設定溫度范圍內，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）并進行相應校準。最后，老化是指頻率隨時間的漂移。密封可減少老化效應，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，尤其是應用于極端環境時。（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。設計師需要考慮外部雜散電容，因為其會導致頻率漂移。

使用尺寸更小的晶體時，關注 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。為在狹小空間設計小型電路，設計工程師通常會選擇 CL 值較大的晶體。

驅動電平 (DL)

DL 是指在將結構損壞降至最低的同時，維持穩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動電平的晶體，以避免頻率不穩定或過早失效。

工作溫度

溫度對頻率的影響超出了頻率穩定性指標所規定的范圍。設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，因為有些區域比其他區域更容易發熱。此外，電路和晶體越小，元器件封裝越緊密，整個系統產生的熱量就越多。在這種情況下，最好使用能在一定溫度范圍內校準得更好的晶體，如 DTCXO 或 RTC 產品。DTCXO 和 RTC 模塊在緊湊型設計中表現出色，在需要高穩定性或低功耗的應用場景中也能發揮優勢。

kHz 晶體及相關模塊

[Epson] 生產大量 kHz 晶體，以及 DTCXO 和 RTC 模塊。下面簡要介紹其中幾種產品及其規格。

[FC3215AN 系列] 是 32.768 kHz 晶體，等效串聯電阻低至 35 kΩ，采用緊湊型封裝，非常適合便攜式電子產品和空間受限的應用場景。FC3215AN 系列適用于多種應用，如無線模塊、物聯網、醫療、工業、安防監控設備、智能電表、消費電子以及低功耗 MCU 應用。該系列產品支持 -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 封裝和標準引腳分配。

[FC2012AN 系列] 32.768 kHz 晶體與 FC3215AN 系列規格相似，但采用更小的 2.05 mm x 1.2 mm x 0.6 mm 封裝和標準引腳分配。同樣，[FC2012SN 系列] 晶體（圖 2）非常適合各種應用，如可穿戴設備、MCU，以及物聯網、醫療、工業、安防、智能電表等領域的無線模塊。

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、安防設備以及智能照明應用。該集成系統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都能保持穩定。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）采用數字溫度補償晶體振蕩器 (DTCXO) 技術，在 -40°C 至 +85°C 或 -40°C 至 +105°C 的溫度范圍內，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，并且內置晶體。

最后，Epson 的 [TG-3541CE]32.768kHz 數字溫度補償晶體振蕩器是一款精密頻率基準源，適用于消費和工業應用，包括物聯網、可穿戴設備、移動設備、傳感器、GPS/GNSS、公用事業儀表以及數字健康設備。特別在物聯網應用中，TG-3541CE 的精確時間精度使設備能夠更長時間進入睡眠狀態，減少喚醒次數，從而延長電池續航時間。此外，這款獨立的數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，從而節省設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。

結語

晶體、振蕩器、實時時鐘和數字溫度補償晶體振蕩器是頻率控制應用中的重要元器件。無論是無線模塊、物聯網產品、個人醫療設備還是工業設備，Epson 的產品都能提供滿足應用特定需求的解決方案。