陶瓷谐振器 [用于高速ＵＳＢ接口的陶瓷谐振器]

　　随着越来越多的消费者在其便携式设备中携带并下载大量的多媒体文件(例如MP3音频和MPEG视频)，众多消费电子产品制造商不得不在其产品中设计高速USB接口(HS-USB)。但是设计人员在增加HS-USB接口的时候经常会遇到诸如尺寸、功耗和成本优化等难题。
　　由于在小尺寸的工艺技术中集成PHY具有很多困难，所以目前很少有专用处理器和基带处理器内集成了HS-USB，因此设计者必须在设计中增加一个单独的HS-USB控制器。通常HS-USB外围控制器中用到的一个较大的元件就是晶振，如果用尺寸小巧、价格相当的陶瓷谐振器代替晶振，那么我们就能够在尺寸受限的应用条件下比较轻松地实现HS-USB的设计了。
　　
　　多媒体与手机
　　
　　如今的手机已经配置了越来越多的多媒体功能。人们最热衷的手机通常都带有200万～300万像素的摄像头，使得手机非常适合于拍摄日常生活照片或视频(例如捕捉宝宝走出的第一步或说出的第一句话)。
　　手机还同时扮演着媒体播放器的角色，消费者现在可以通过诸如Verizon的Vcast之类的服务随意下载音乐，然后把音乐带回到家中的电脑上。为了支持这类带宽需求较大的多媒体功能，很多手机都提供了2～8GB的扩展存储器，扩展的方案一般采用基于闪存的大容量存储器(例如SD卡)或者基于磁盘的大容量存储器(例如CE-ATA)。这种扩展存储功能使得用户可以在收集到更大量的多媒体资料之后再把它们下载到电脑中。用户可以更轻松地创建或下载相片、视频和音乐文件，同时把一些比较早的文件转存到电脑中进行保存。对于功能独立的数码相机和便携式媒体播放器而言，消费者已经习惯了通过高速HS-USB接口(速率480Mb/s)进行快速的文件传输。
　　虽然目前大部分的手机都支持速率为12Mb/s的全速USB(FS-USB)接口，这种USB接口对于实现地址簿或日历数据同步之类的简单传输功能已经具备了足够的吞吐速率。但是，如果从用户体验的角度来比较Fs-USB和HS-USB两种接口之间的差别，我们不妨以传输大约100Mb音乐(相当于25首4Mb大小的MP3文件)所需要的时间来举例说明。FS-USB接口传输25首歌曲需要13分钟，而HS-USB仅仅需要33秒，这种传输速度的差别对于最终用户的体验来说是非常明显的。随着越来越多的手机同时用作照相机和媒体播放器，手机设计者们必须考虑尽快在现有的手机上增加HS-USB接口。
　　
　　集成面临的挑战
　　
　　当前市场上很少有专用处理器或基带处理器完全集成了HS-USB接口。大多数基带芯片供应商也没有计划在其产品中完全集成HS-USB。随着手机不断在相同的或更小的空间内集成更多的功能，这些处理器也在不断采用更精细的工艺技术。这就为我们集成HS-USBPHY提出了直接的挑战，因为高速模拟电路不容易随工艺尺寸而进行缩放设计。
　　因此，在手机中增加HS-USB接口最快捷的方法是在集成了HS-USB SIE的基带处理器中增加一个UTMI收发器或者ULPI收发器，或者干脆用一个USB2.0 HS-USB外围控制器实现HS-USB的控制功能。这些方法在目前的市场上都能够实现，但是在手机中集成这些器件需要用到6MHz、12MHz或24MHz的晶振。
　　
　　尺寸限制
　　
　　打开任何一种HS-USB器件，无论它们的结构和使用模型有多大的差异(如图1所示)，你都可以找到它们的一个共同点：内嵌了一个尺寸达11.35mm×4.65mm×3．5mm的晶振。
　　如果手机内的可用空间非常紧张，那么这样一个大尺寸的晶振就会使HS-USB的集成变得非常困难。幸运的是，当前我们可以找到一种尺寸大小为3.2mm×1.3mm×1.0mm陶瓷谐振器作为解决方案，这种陶瓷谐振器相比传统的石英晶振节省了90％的面积，降低了70％的厚度。
　　尽管USB接口随处可见，但是HS-USB器件对于晶振却有特殊的要求。因此，设计者最好评估一下自己的HS-USB设计是否能够利用这些小尺寸的陶瓷谐振器。
　　
　　采用陶瓷谐振器的设计
　　
　　对于大多数HS-USB器件而言，它们对晶振的主要需求取决于USB规范对比特率稳定性的需要。时钟输入是决定这个指标的主要因素。当设计速率达到HS-USB的数据速率时，USB2.0规范要求比特率精度要控制在±500×10-σ之内。
　　影响这一指标的因素包括时钟的ppm(10-σ)精度、器件老化对时钟信号源的影响、所用负载电容的容限以及USB芯片本身的影响等。当采用谐振器或晶振来设计HS-USB器件时，总体设计必须确保频率比特率处于USB规范所要求的土500×10-σ之内。这必须通过控制工作温度和USB器件的电压范围来确保实现。此外，我们还必须检查设计的老化特性。晶振和谐振器都会随着时间而不断老化，从而会影响器件的ppm精度。大多数谐振器为了降低成本都会在这三个参数上取折中的ppm特征指标。只有很少一部分谐振器采用了严格的精度控制，可以用作当前的USB设计组件。
　　Murata推出的CSTCE24MOK2系列谐振器具有严格的参数控制，能够兼容HS-USB的数据速率。当所设计器件的工作温度处于0℃～70℃的范围时，这种元件的温度偏差低于10×10-σ。这种元件的电压特性影响的是振荡的幅值而不是频率。当使用3.3V的VCC时，振荡幅值大约会下降0.6V。设计中所采用的USB器件应该有足够的输入范围，以兼容这一电压降。这种元件的另外一个优势在于其负载电容位于谐振器内部，能够严格控制这种元件的偏差。而在晶振设计中，负载电容一般位于外部，具有±20％的偏差。这意味着生成的频率与所需的频率之间将会产生巨大的偏移量。在设计过程中必须将这个偏移量考虑在内，因为它是数据比特率的一种误差。如果频率偏移50×10-σ，那么这个偏移量就将对应50×10-σ的比特率误差。
　　为了保持USB比特率的容差，所有有效偏差的和必须在土500×10-σ的USB规范之内。该应用中采用的谐振器必须有足够严格的指标，其老化特性、由于温度或电压而造成的频率偏移以及初始设计容差三者加起来必须小于USB-规范所允许的界限。
　　在本文使用的这个特殊例子中，其温度和电压的初始容差为250×10-σ200×10-σ，老化特性具有-100×10-σ～150×10-σ的偏差，在10年时间内的总-偏差为350×10-σ～350×10-σ。因此，这种具有较低成本的小尺寸谐振器完全能够满足驱动USB设计的需要。