近年来，“物联网”（IoT）这个术语已经变得广为人知。物联网设备能够彼此无线通信，通常使用诸如WiFi、蓝牙、Zigbee和5G等标准。物联网还改变了设备本身的需求。如今，每部智能手机都是连接其他设备的节点。智能家居应用和手腕上的智能手表只是众多例子中的两个。

为了确保一切顺利运行，每个组件都必须适应无线环境的要求。这同样适用于许多电子应用中提供时钟信号的微小石英晶体和振荡器。那么，使用石英晶体和振荡器时需要考虑哪些因素呢？

越来越小的产品需要更小的组件

近年来，可穿戴设备的可用性急剧增加，尤其是在消费电子领域。产品本身以及内部的电路板和组件也在不断缩小。这种趋势被称为“小型化”。对于许多产品，包括一些主要集成电路（IC）制造商的产品，这一趋势似乎没有停止的迹象，这也影响了其他组件，如石英晶体和振荡器。

因此，器件的外壳和规格要求发生了变化，这些被动组件也必须变得越来越小。这带来了一些优势，例如需要的原材料减少了，有利于环保；包装、运输和存储的成本也相应降低。

然而，这一趋势带来了一个挑战，即频率方面的物理限制。要获得较低的振荡频率，开发过程需要使用较厚的石英，而较高的频率则需要较薄的晶体。然而，表面积与厚度的比率不能降低到某个值以下，否则电气参数将变得不利。这一限制主要影响石英晶体，而不是石英振荡器，因为后者包含一个可以分频的IC。因此，振荡器在频率方面有更大的灵活性。

通常，石英晶体在所谓的“Pierce电路”中运行。该电路的基本元素包括两部分：

1. 共振环路，原始的振荡发生在此。
2. 反馈环路，激励电路振荡并补偿电路中的能量损失。

共振环路中的石英晶体确保振荡只在其共振频率下发生，因为它在此频率上提供最佳性能。

以最小能量实现可靠的振荡

许多小型电池供电的设备基于“片上系统”（SoC）组件，在这些应用中，功耗是关键因素。如今，低功耗通常通过使用较低的工作电压来实现，但这对石英电路的振荡可靠性产生了负面影响。为了弥补这一影响，开发人员必须仔细选择组件并进行最佳电路匹配。

为了应对小型组件和低电压对振荡可靠性的不利影响，开发人员通常选择较低的标称负载电容的晶体。具有较小电容的电路可以使用较弱的驱动级，同时仍能达到可接受的振荡可靠性。在实验室匹配过程中，开发人员分析频率精度、振荡安全系数和晶体输出，以确保高水平的运行可靠性。

无线应用中的高频精度

石英晶体在无线应用中的一个主要要求是频率精度。电路通常分配到狭窄的频率带宽中，任何频率偏差都会导致与其他频率的干扰并减少连接范围。例如，蓝牙允许的最大频率偏差为±40 ppm。在应用的整个生命周期内，这个限值绝不能被超过。开发人员必须使用最坏情况的计算来估计所有可能的影响，包括：

• 25°C时的容差
• 预期温度范围内的稳定性
• 电路负载电容（CL）不匹配造成的误差
• 长期变化
• 负载电容容差造成的误差
• IC引脚电容和PCB容差的CL误差

为了确保25°C时的频率合规性，每个石英元件的负载电容在生产过程中定义。晶体被激励振荡，测量其频率，并在必要时通过蒸发沉积或离子轰击来调整银电极的质量。如果在最终电路中再次实现相同的电容，晶体将在室温下以其标称频率可靠地振荡。

为了无误运行的正确电阻

晶体必须既小又精确。另一个关键因素是晶体的等效串联电阻（ESR），应尽可能低。等效串联电阻ESR会影响振荡安全系数（OSF），进而影响电路的可靠性。

在旧电路中使用现代石英：重新设计

随着较大尺寸的石英组件逐渐停产，开发人员需要重新设计电路以适应较小的晶体。开发人员需要检查这些较小晶体的功率处理能力，以防止过度老化或故障。

哪些石英产品特别适用于物联网应用？

原则上，石英晶体和石英振荡器都适合用于物联网应用。石英晶体通常由于成本原因在大批量应用中被选择。然而，振荡器提供更高的精度和可靠性，开发过程中所需的工作也相对较少。

最后，常用的“音叉”晶体（也称为时钟晶体）通常在32.768KHz下振荡，广泛用于实时时钟应用。这些晶体还可用于提供备用时钟发生器，以减少待机模式下的功耗。虽然音叉晶体的温度敏感性较高，不足以满足无线应用的精确时钟要求，但它们由于极低的电流消耗，是待机模式的理想选择。

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