kHz 晶体选型设计师指南

作者：Poornima Apte

投稿人：DigiKey 北美编辑

计时产品几乎无处不在，是现代社会的一个重要组成部分。精确计时需要像石英晶体这样能以精确频率振荡的器件，以及控制器件的集成电路 (IC)。封装时钟模块通常同时包含晶体和控制 IC。电子振荡器电路的频率范围从千赫兹 (kHz) 到兆赫兹 (MHz) 不等。

kHz 晶体既可以单独销售，也可以集成到其他产品中，如晶体振荡器 (CXO)、数字温度补偿晶体振荡器 (DTCXO) 和实时时钟 (RTC)。

决定 kHz 晶体选型的因素

在为应用选择 kHz 晶体时，尺寸和所需频率是最重要的考虑因素，但其他一些参数对于设计合适的电路也至关重要。

其中包括：

• 频率容差、稳定性和老化
• 负载电容 (CL)
• 等效串联电阻 (ESR)
• 驱动电平 (DL)
• 工作温度

kHz 晶体通常会有专用集成电路 (ASIC) 的要求，其中列出了所需参数的值。ASIC 信息可为电路设计提供坚实的起点。电子电路小型化的趋势意味着设计师需要格外关注上述因素，因为元器件的尺寸和密集封装会影响晶体的特性和性能。不过，光刻制造工艺确保了晶体振荡器电路的小型化不会影响其高效运行所需的参数。

频率容差、稳定性和老化

虽然晶体规定了特定频率，但由于制造过程中的应力或日常运行时表面产生的应变，仍可能出现频率偏差。频率偏差可通过评估三个参数来概括：频率容差、频率稳定性和老化。

频率容差定义为晶体在 +25°C 时的实际频率与标称频率之间的差值。频率稳定性是指在设定温度范围内，由温度引起的最大频移。为了提高晶体的精度，建议使用 kHz XO，其能考虑到频率随温度的变化（图 1）并进行相应校准。最后，老化是指频率随时间的漂移。密封可减少老化效应，但可能会增大尺寸。

图 1：振荡器频率随温度变化，在选型过程中需要考虑这一因素，尤其是应用于极端环境时。（图片来源：Epson 通过 IEEE 提供）

负载电容 (CL)

晶体两个端子之间的电容就是其负载电容。设计师需要考虑外部杂散电容，因为其会导致频率漂移。

使用尺寸更小的晶体时，关注 CL 与电路电容的不匹配问题尤为重要，因为小尺寸晶体对电容变化更敏感。低 CL 值的晶体对频率也特别敏感。为在狭小空间设计小型电路，设计工程师通常会选择 CL 值较大的晶体。

驱动电平 (DL)

DL 是指在将结构损坏降至最低的同时，维持稳定振荡所需的电流量。建议选择 DL 值等于或超过给定电路驱动电平的晶体，以避免频率不稳定或过早失效。

工作温度

温度对频率的影响超出了频率稳定性指标所规定的范围。设计师不仅要考虑整个电路的工作温度，还需考虑晶体在电路中的位置，因为有些区域比其他区域更容易发热。此外，电路和晶体越小，元器件封装越紧密，整个系统产生的热量就越多。在这种情况下，最好使用能在一定温度范围内校准得更好的晶体，如 DTCXO 或 RTC 产品。DTCXO 和 RTC 模块在紧凑型设计中表现出色，在需要高稳定性或低功耗的应用场景中也能发挥优势。

kHz 晶体及相关模块

[Epson] 生产大量 kHz 晶体，以及 DTCXO 和 RTC 模块。下面简要介绍其中几种产品及其规格。

[FC3215AN 系列] 是 32.768 kHz 晶体，等效串联电阻低至 35 kΩ，采用紧凑型封装，非常适合便携式电子产品和空间受限的应用场景。FC3215AN 系列适用于多种应用，如无线模块、物联网、医疗、工业、安防监控设备、智能电表、消费电子以及低功耗 MCU 应用。该系列产品支持 -40°C 至 +105°C 的扩展工作温度范围，采用 3.2 mm x 1.5 mm x 0.9 mm 封装和标准引脚分配。

[FC2012AN 系列] 32.768 kHz 晶体与 FC3215AN 系列规格相似，但采用更小的 2.05 mm x 1.2 mm x 0.6 mm 封装和标准引脚分配。同样，[FC2012SN 系列] 晶体（图 2）非常适合各种应用，如可穿戴设备、MCU，以及物联网、医疗、工业、安防、智能电表等领域的无线模块。

图 2：Epson FC2012SN 系列晶体的工作温度范围为 -40°C 至 +105°C，采用 2.05 mm x 1.2 mm 紧凑型封装。（图片来源：Epson）

Epson 的 [RX8901CE 和 RX4901CE] 实时时钟是多功能、高精度且低功耗的模块，非常适合智能电表、安防设备以及智能照明应用。该集成系统有多达三个事件输入，可在 MCU 处于休眠模式时检测事件并记录时间戳，从而降低系统功耗，延长电池寿命。这些模块可以 FIFO 模式或直接模式记录 32 个事件的时间戳。它们在 3 V 电源下仅消耗 240 nA 电流，并且内置电源切换电路，无需外部二极管，避免了二极管的损耗。这些模块的时间分辨率可达 1/1024 秒，在 -40°C 至 +105°C 的整个工作温度范围内都能保持稳定。RX8901CE 配备 I²C 接口，而 RX4901CE 则提供 3 线或 4 线 SPI 接口。

[RX8804 系列]实时时钟（图 3）采用数字温度补偿晶体振荡器 (DTCXO) 技术，在 -40°C 至 +85°C 或 -40°C 至 +105°C 的温度范围内，精度分别可达 ±3.4 ppm 或 ±8 ppm。

图 3：Epson RX8804 系列低功耗实时时钟在宽温度范围内具有高精度。（图片来源：Epson）

RX8804 系列功耗极低，典型值为 0.35 µA，采用 3.2 mm x 2.5 mm x 1.0 mm 的表面贴装陶瓷封装，并且内置晶体。

最后，Epson 的 [TG-3541CE]32.768kHz 数字温度补偿晶体振荡器是一款精密频率基准源，适用于消费和工业应用，包括物联网、可穿戴设备、移动设备、传感器、GPS/GNSS、公用事业仪表以及数字健康设备。特别在物联网应用中，TG-3541CE 的精确时间精度使设备能够更长时间进入睡眠状态，减少唤醒次数，从而延长电池续航时间。此外，这款独立的数字温度补偿晶体振荡器无需任何软件更改，就能显著改善 MCU 或 RTC 的计时性能，从而节省设计人员的时间和资源。TG-3541CE 的功耗低至 1.0 µA，采用 3.2 mm x 2.5 mm x 1.0 mm 的表面贴装陶瓷封装。

结语

晶体、振荡器、实时时钟和数字温度补偿晶体振荡器是频率控制应用中的重要元器件。无论是无线模块、物联网产品、个人医疗设备还是工业设备，Epson 的产品都能提供满足应用特定需求的解决方案。