The reasons why crystal oscillators are not integrated inside chips involve multiple aspects, including factors such as material differences, electromagnetic compatibility (EMC), stability, cost, and power consumption.
1.Materialunterschiede
Materialunterschiede zwischen dem Chip (Silizium-basiert) und dem Kristalloszillator (Quarz): Ein Chip wird normalerweise aus Silizium (Si) hergestellt, während der Kern eines Kristalloszillators aus Quarz (Siliziumdioxid, SiO₂) besteht. Die Herstellungstechnologien für diese beiden Materialien sind inkonsistent. Silizium-basierte Chips verwenden die Halbleiter-Lithografie-Technologie, während Quarzkristalle spezielle Schneide-, Polier- und Verpackungstechniken erfordern.
Verpackungschallenge: Obwohl es mit moderner Technologie möglich ist, den Kristalloszillator und den Chip in einer Verpackung zu integrieren (z. B. System-in-Package, SiP), erhöht dies jedoch die Komplexität und die Kosten der Verpackung.
2.Probleme mit der Elektromagnetischen Kompatibilität (EMC)
Störungen durch hohe Frequenzrauschen: Im Inneren eines Chips gibt es eine große Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Digital-Signalen, Stromrauschen und Schaltrauschen. Diese Störungen können die Stabilität des Kristalloszillators beeinträchtigen und zu einer Zunahme der Jitterung des Taktsignals führen.
Optimierung der Leiterplattenanordnung (PCB): Ein externer Kristalloszillator kann durch eine geeignete Leiterplattenanordnung (z. B. Abstand zu Hochgeschwindigkeits-Signal-Leitungen und Erhöhung der Erdpegel-Isolation) von Störungen befreit werden. Sobald der Kristalloszillator jedoch in den Chip integriert ist, ist die Optimierung der EMC-Leistung schwierig.
3.Probleme mit der Stabilität
Temperaturempfindlichkeit: Die Frequenz eines Quarzkristalls ist stark von der Temperatur abhängig (Δf/f = a(T - T0)² + b(T - T0) + c), und die Wärmestrahlung im Inneren des Chips (z. B. CPU/GPU) kann die Temperaturabhängigkeit des Frequenzwandels verschärfen und zu größeren Frequenzabweichungen führen (z. B. von ±50ppm auf ±1000ppm).
Mechanische Belastung: Kristalloszillatoren sind empfindlich gegenüber Vibrationen. Wenn sie in den Chip integriert werden, kann die Verformung der Verpackung zu Frequenzabweichungen oder zu Ausfällen führen.
4.Faktoren bezüglich der Kosten
Erhöhung der Verpackungskosten: Die Integration eines Kristalloszillators erfordert eine kompliziertere Verpackungstechnologie (z. B. Multichip-Modul oder 3D-Verpackung), was zu einer Kostenerhöhung von 30% bis 50% führt.
Reduzierung der Flexibilität: Verschiedene Anwendungen erfordern verschiedene Frequenzen (z. B. 32.768kHz für den RTC, 16MHz für den MCU). Ein externer Kristalloszillator kann flexibel ausgetauscht werden, während bei der integrierten Lösung mehrere Kristalle voreingestellt werden müssen, was die Fläche des Chips und die Kosten erhöht.
5.Optimierung des Leistungsverbrauchs
Bedarf an Temperatursteuerung: Ein hochpräziser Kristalloszillator (z. B. OCXO) erfordert eine 恒温控制. Sobald er in den Chip integriert ist, ist die effektive Wärmeableitung schwierig, was zu einer Erhöhung des Leistungsverbrauchs führt.
Ersatz durch einen internen RC-Oszillator: Ein Chip kann einen RC-Oszillator mit niedrigem Leistungsverbrauch integrieren, aber seine Genauigkeit ist schlecht (±5%) und er eignet sich nur für Anwendungen auf Niedrig-Endebene. Für Anwendungen mit hoher Genauigkeit wird weiterhin ein externer Kristalloszillator benötigt.
Zusammenfassung
Einschränkungen hinsichtlich Material und Technologie (inkonsistenz zwischen Silizium und Quarz);
Probleme mit der EMC und der Stabilität (Störungen, Temperaturabhängigkeit des Frequenzwandels, mechanische Belastung);
Abwägung zwischen Kosten und Flexibilität (hohe Verpackungskosten, Schwierigkeiten bei der Unterstützung mehrerer Frequenzbänder);
Bedarf an Optimierung des Leistungsverbrauchs (externer Kristalloszillator ist einfacher für die Steuerung der Temperaturabhängigkeit des Frequenzwandels und des Leistungsverbrauchs).
Zukunft: Mit der Entwicklung der MEMS-Oszillator-Technologie könnten einige Anwendungen möglicherweise auf die integrierte Lösung umschalten. In Bereichen mit hoher Genauigkeit (z. B. 5G, Raumfahrt) ist der externe Quarz-Kristalloszillator jedoch weiterhin nicht ersetzbar.
