設計人員的 kHz 晶體選擇指南

在現代社會中，計時產品幾乎無處不在，且已成為重要產品。精確計時需要一個像石英晶體這種以精確頻率振盪的元件，以及一個可用於控制該晶體的積體電路 (IC)。一個封裝時脈模組通常包含晶體和控制 IC 兩者。電子振盪器電路可涵蓋從 kHz 到 MHz 範圍的頻率。

kHz 晶體可以單獨銷售，或整合到晶體振盪器 (CXO)、數位溫度補償晶體振盪器 (DTCXO) 和即時時脈 (RTC) 等其他產品中銷售。

影響 kHz 晶體選擇的因素

為應用選擇 kHz 晶體時，尺寸和所需頻率最為重要，但一些其他參數對正確設計電路也同樣不可或缺。

包括：

• 頻率容差、穩定性、老化
• 負載電容 (CL)
• 等效串聯電阻 (ESR)
• 驅動位準 (DL)
• 工作溫度

kHz 晶體通常是依照應用特定的積體電路 (ASIC) 要求提供，這些要求列出所需的參數值。ASIC 資訊可以為電路設計提供有力的起點。由於電子電路小型化的趨勢，設計人員必須額外注意上述因素，因為元件的大小和緊湊的排列，可能影響晶體的效能。然而，微影製程 (photolithographic) 可確保晶體振盪器電路得以小型化，不會影響高效率運作所需的參數。

頻率容差、穩定性、老化

雖然晶體已指定特定頻率，但由於在製造過程中所承受的應力，或在例行操作中的表面應力，可能會發生偏差。從指定頻率值造成的偏異，可透過評估三個參數來總結：頻率容差、頻率穩定性、老化。

頻率容差的定義是：在 +25°C 下，晶體實際頻率與其標稱頻率之間的差異。頻率穩定性是指，在設定溫度範圍內可能發生的最大溫度驅動頻移。為了從晶體中獲得更高的準確度，建議使用 kHz XO，因為這類產品考慮到頻率會隨溫度變化 (圖 1)，且會據此進行校準。最後，老化是指隨著時間發生的頻率漂移。氣密封裝可減少老化效應，但可能加大尺寸。

圖 1：在選擇的過程中，需要考慮到振盪器頻率隨著溫度發生的變化，特別是當應用在極端環境使用時。(圖片來源：Epson 透過 IEEE 提供)

負載電容 (CL)

晶體兩端之間的電容為其負載電容。設計人員需要考慮到外部雜散電容，這可能會導致頻率漂移。

實體較小的晶體對電容變化更為敏感，因此使用時須留意負載電容與電路電容之間的不匹配性。低負載電容的晶體對頻率也同樣特別敏感。為了設計適合狹小空間尺寸的更小電路，設計工程師通常會選擇具有高負載電容的晶體。

驅動位準 (DL)

驅動位準是保持穩定振盪所需的電流量，同時可將結構性損壞減至最低。建議所選晶體的驅動位準可以滿足或超過特定電路驅動位準，以避免頻率不可靠或過早失效。

工作溫度

溫度對頻率的影響，可能會超過頻率穩定性指定的數值。設計人員除了需要考量整體電路的工作溫度，還須考量晶體在電路中的位置，因為某些區域可能更容易升溫。此外，電路和晶體越小，元件封裝的密度就越高，整個系統產生的熱量也就越多。在這種情況下，最好使用針對特定溫度範圍校準的晶體，如 DTCXO 或 RTC 產品。DTCXO 和 RTC 模組在小巧設計中的效果良好，且在重視高穩定性或低功率的應用中表現出色。

kHz 晶體及相關模組

Epson 製造大量各式 kHz 晶體以及 DTCXO 和 RTC 模組。以下列出部分產品及其技術規格。

FC3215AN 系列是低 ESR (35 kΩ) 的 32.768 kHz 晶體，其封裝尺寸較小，適用於可攜式電子產品和空間受限的應用。FC3215AN 系列適用於多種應用，如無線模組、IoT、醫療、工業、安全監控設備、智慧儀表、消費性電子產品，及低功率微控制器等多項應用。此系列支援 -40°C 到 +105°C 的延伸工作溫度範圍，並且有 3.2 mm × 1.5 mm × 0.9 mm 封裝，具有標準的引腳配置。

FC2012AN 系列 32.768 kHz 晶體具有與 FC3215AN 系列相似的技術規格，並提供 2.05 mm × 1.2 mm × 0.6 mm 的更小封裝尺寸和標準引腳配置。同樣的，FC2012SN 系列晶體 (圖 2) 非常適合各種應用，例如穿戴式裝置、MCU、IoT 無線模組、醫療、工業、安全、智慧儀表等多種應用。

圖 2：Epson FC2012SN 系列的工作溫度範圍為 -40°C 至 +105°C，封裝尺寸為 2.05 mm x 1.2 mm。(圖片來源：Epson)

Epson 的 RX8901CE 和 RX4901CE 即時時脈是一種多功能且高精密度的模組，具有低功耗的優點，特別適合智慧儀表、安全設備、智慧照明等多種應用。此種整合系統最多可以使用三個事件輸入，用於偵測事件並記錄其時間戳記，同時 MCU 處於睡眠模式，進而降低系統功耗，延長電池續航力。這類模組可在 FIFO 或直接模式中，記錄最多 32 個事件的時間戳記。在 3 V 電源下僅消耗 240 nA 的電流，並具有內建的電源供應器切換電路，無需外部二極體且無損耗。這類模組提供的時間解析度最低可達 1/1024 秒，並在其全部完整工作溫度範圍內 (-40°C 至 +105°C) 保持穩定。RX8901CE 具備 I²C 介面，而 RX4901CE 可提供 3 線或 4 線 SPI。

RX8804 系列 RTC (圖 3) 採用 DTCXO 技術，可在 -40°C 至 +85°C 或 -40°C 至 +105°C 範圍內，分別達到 ±3.4 ppm 或 ±8 ppm 的準確度。

圖 3：Epson RX8804 系列低功率 RTC 在寬廣溫度範圍內有高準確度的表現。(圖片來源：Epson)

RX8804 系列的功率極低 (典型值為 0.35 µA)，採用 3.2 mm x 2.5 mm x 1.0 mm 表面黏著陶瓷封裝且包含內建晶體。

最後，Epson 的 TG-3541CE 32.768 kHz DTCXO 可作為精密頻率參考元件，適用於包括 IoT、穿戴式裝置、行動裝置、感測器、GPS/GNSS、公用事業儀表以及數位健康與保健等多種消費性和工業應用。TG-3541CE 是專為 IoT 應用所設計，其精確的時間準確度可讓設備延長睡眠時間，減少喚醒次數，進而延長電池續航力。此外，獨立的 DTCXO 可明顯改善 MCU 或 RTC 的計時效能，而無需進行任何軟體更改，為設計人員節省時間和資源。TG-3541CE 功率低，僅為 1.0 µA，採用 3.2 mm x 2.5 mm x 1.0 mm 表面黏著陶瓷封裝。

結論

晶體、振盪器、RTC 和 DTCXO 是頻率控制應用的重要元件。無論是無線模組、IoT 產品、個人醫療裝置還是工業設備，Epson 的產品都能滿足應用特定要求的解決方案。