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石英晶振利用压电效应实现频率生成,从上世纪 30 年代问世至今技术已迭代成熟。这种频率基准元件问世后,迅速取代了依靠电感电容 LC 谐振回路的收音机调谐方案。早年晶振需要人工打磨晶片、装配基座,工程师只能借助简易示波器里的李萨如图形比对校准频率(当时还没有如今通用的频率计数器)。
如今的晶振与有源振荡器体积更小、精度更高、工作频率更高,生产全程高度自动化。其应用范畴早已不再局限于无线射频选频调谐,还为各类电路、整机系统、通信网络提供高精度时序与同步基准。
市面常规晶振覆盖极宽频率区间,最低不足 1MHz,最高可超过 100MHz。怀旧爱好者有必要了解:经典 EIA/NTSC 模拟电视制式已于 2009 年正式废止,曾经大范围的使用在模拟电视色彩编码解码的 3.579545MHz(常简称 3.58MHz)晶振,如今仅具备收藏纪念意义。
现代有源振荡器大多为一体化封装,内部集成振荡电路与石英晶片;也有不少设计场景更倾向于单独使用无源晶振,搭配外部分立振荡电路搭建时钟。
自上世纪五六十年代仅应用于收音机、电视机以来,消费级晶振振荡器应用规模大幅扩张。早年汽车整车除车载收音机外基本上没有电子器件,收音机在晶振锁相调谐方案成熟、稳定且具备性价比之后,也很快搭载了该技术。
与之形成鲜明对比,当下乘用车内部处理器数量普遍超百颗,涵盖专用单片机 MCU、高性能应用处理器、通信基带控制器。各类处理器支撑传感采集、整车安全、车载影音、车联网通信、辅助驾驶等功能,相关功能整体统称为高级驾驶辅助系统 ADAS(如图1所示)。
图 1 如今汽车动力总成电控、ADAS 辅助驾驶大量搭载精密电子器件,复杂度远超几十年前,后续电子化程度还会持续提升。图片来自:ECS
上述每一项功能都需要晶振振荡器,为处理器、控制器、通信芯片及配套电路提供时钟信号。部分场景仅要求基础低成本普通晶振,但更多应用需要低相位抖动、高频率稳定度时钟;车车直连 V2V 等车载互联通信业务,对时序精度要求更是严苛。
无论具体用途,车用振荡器一定要满足汽车电子元器件严苛的 AEC-Q200 认证规范。该标准考核范围不只是温变、振动、冲击环境下基础工作可靠性,还包含电气性能、机械结构、温循应力、防潮耐溶剂、引脚焊接可靠性、量产可焊性等全套测试项目。
为匹配上述车规要求,ECS公司推出通过 AEC-Q200 认证的贴片多电压有源晶振振荡器系列ECS-2520MVQ,该系列绝大多数型号采用超小型四焊盘陶瓷封装,外观尺寸仅 2.5mm × 2.0mm × 0.8mm。
小巧封装只是该系列优势之一:频率覆盖 1MHz~160MHz(支持 1kHz 步进定制);常规频率稳定度 ±50ppm,同时可选 ±20ppm、±25ppm、±100ppm 精度版本;工作温区可选:-20℃~70℃、-40℃~85℃、-40℃~105℃、-40℃~125℃,工程师可按需选型匹配整机指标。
ECS-2520MVQ贴片多电压有源晶振标称适配 1.8V、2.0V、3.0V、3.3V 四类常规直流供电轨,但这只是其电压特性的一部分;独家MultiVolt多电压架构是该产品差异化核心优势,给硬件设计带来极大灵活性。
实现原理:器件内部搭载小型高性能专用 ASIC 芯片,振荡电路集成微功耗线性稳压电源,相较传统振荡器方案大幅度降低工作电流。
内置稳压架构让这款多电压振荡器适配极宽供电区间,既能应对电池电压衰减跌落工况,也兼容常规固定电压电源供电。传统振荡器性能极易受供电电压波动影响,该内置稳压设计基本消除了电压波动带来的频率偏移问题。
依托内部稳压电路,器件实际在做的工作电压区间可达 1.7V~3.6V,宽于标称静态供电档位;空载工作电流偏低,低频型号典型 8mA,最高频型号最大 20mA。
图 2 左侧为 ECS-327ATQMV-AS-TR 器件实物;该型号 3.2×2.5×0.9mm 封装仅包含四个焊盘:电源、地、时钟输出、三态输出控制引脚(右侧引脚定义示意图)。图片来自:ECS
ECS-327ATQMV-AS-TR 的 CMOS 输出可驱动最大 15pF 负载,占空比 50%;正常工作模式电流仅 0.2mA,可通过 1 号控制引脚进入低功耗三态模式,电流降至仅 20μA。
为什么选用 32.768kHz 这个特殊频率?该频率经过 2 的 15 次方分频后恰好得到 1 秒计时脉冲,硬件分频实现简单,专门用于实时时钟 RTC 计时功能。
汽车电子设计需要稳定、精准、高可靠的频率基准源。ECS 推出的 ECS-2520MVQ 系列有源晶振通过 AEC-Q200 车规认证,封装小巧,完美匹配上述需求;独家MultiVolt多电压架构可避免供电偏离标称值时频率性能劣化,减少系统模块设计余量带来的误差预算压力。