您是否考虑过使用晶体和 MEMS 振荡器的总成本？当晶体的价格看起来如此便宜时，这个问题可能不会成为您选择过程中的首要考虑因素--至少从表面上看是如此。不过，虽然晶体的单位成本通常较低，但一旦计算出总成本，情况就大不相同了。

3 个常见的晶体设计问题

在 SiTime，我们听到许多客户反映晶体设计问题，例如冷启动故障、晶体不匹配造成的振荡电路问题或无法通过 EMI 测试。这些问题会导致开发过程中的工程成本超支，并造成代价高昂的质量问题。此外，推迟产品发布日期也会造成收入损失。在此，我们分享客户在面临晶体设计问题时向 SiTime 寻求帮助以降低总体拥有成本的三种情况。

晶体与振荡器的区别

但首先让我们简单介绍一下基础知识......晶振（XTAL）和振荡器（XO）之间有什么区别？简单地说，晶振（有时也称为谐振器）是一种移动/谐振无源元件，它与芯片（如 SoC、微控制器或处理器）中的外部振荡电路相连接，为芯片计时--如下图 1 左侧所示。

                            图 1：晶体 (XTAL) 和振荡器 (XO) 的区别

振荡器（如右图所示）是一种集成定时解决方案，在一个有源器件中同时包含一个谐振器和一个振荡器集成电路。SiTime 振荡器的谐振器采用硅 MEMS（微机电系统）技术，而不是传统的石英晶体。这种结构实现了坚固耐用的 "即插即用 "振荡器，非常灵活且易于设计到系统中。

总拥有成本

振荡器更容易设计到系统中，因为它们的功能和特性可以解决常见的、通常也是很难解决的时序设计问题。我们根据 Digi-Key 和 SiTimeDirect 对具有相同输出频率、稳定性和封装尺寸的 XTAL 和 XO 的定价，列出了一些总成本示例[2]。然后，我们再加上解决问题所需的工程工时成本（按每小时 100 美元计算）。

根据产量和工程时间，每种情况都有不同的断点。一般来说，当产量很高时，使用晶体进行设计的成本较低，而设计成本可在大量生产中摊销。相反，当产量不是成千上万时，使用振荡器的成本就会降低。不过，事情还不止这些。

以下例子中没有考虑的是项目设计延误造成的机会成本（收入损失），这在某些市场中可能是巨大的。在某些情况下，外部服务和测试会产生额外费用，这些费用也可能很高。此外，还有其他一些附加费用。其中包括电路板重装所需的额外材料和元件费用、晶体（而非振荡器）所需的负载电容器费用，以及电容器所占用的额外电路板空间。电容器消耗的额外电路板空间--所有这些都进一步使等式倾向于使用振荡器。

为简单起见，在以下示例中，我们只包括定时元件的成本和纠正晶体问题所需的工程时间。

1. 晶体与振荡器的成本对比--冷启动故障

与晶体不同，MEMS 振荡器不存在启动问题。在该客户的案例中，需要 15 个小时的工程工作来纠正晶体的启动问题。在这里，通过相对快速的修复，当产量达到或低于 6,500 台时，使用 MEMS 振荡器的成本效益就会显现出来。换句话说，除非您的生产量非常大，否则从长远来看，您可能需要为晶体支付更多的费用。

2. 晶体与振荡器的成本对比 - 晶体不匹配会导致振荡器故障

由于振荡器是一种集成解决方案（将谐振器和振荡器 IC 集成在一个封装中），因此消除了匹配误差。设计人员无需担心晶体运动阻抗、谐振模式、驱动电平、振荡器负阻或其他配对考虑因素。在该客户的案例中，需要花费 40 个小时的工程设计工作来纠正匹配问题，从而降低了使用振荡器的成本，其产量约为 17,000 个或更少。

3. 晶体与振荡器的成本对比 - EMI 达标失败

时钟通常是系统中造成 EMI（电磁干扰）的最大因素，它可能导致原型无法通过符合性测试。SiTime MEMS 振荡器提供多种技术，可快速、轻松地减少 EMI。其中一种技术是扩频时钟。另一项功能是 FlexEdge™，这是一种可编程功能，用于调整时钟信号的上升/下降时间（回转率）以降低 EMI。

作为一种无源元件，晶体不具备这些降低 EMI 的功能。如果设计人员需要使用屏蔽或在晶体中添加扩频时钟发生器集成电路，就会增加费用和电路板空间。此外，租用电波暗室进行额外测试可能会再增加 3000 美元或更多。重新设计电路板和重新测试可能需要 50 个小时的工程设计工作，因此在产量约为 23500 或更少的情况下，使用 MEMS 振荡器更为有利。这还不包括上述额外的材料和测试设施成本。

底线--全面节约

除直接成本外，还有其他因素会影响使用晶体进行设计的成本。例如，振荡器可以驱动多个负载。这意味着一个振荡器可以取代多个晶体，而多个晶体只能为一个器件提供定时信号。

此外，SiTime MEMS 振荡器基于可编程架构，可在非常宽的范围内随时提供任何频率、稳定性和电压。这为设计人员优化设计提供了极大的灵活性。事实上，SiTime 振荡器可以由主要分销商编程，甚至可以由客户在自己的实验室中使用 Time Machine II 进行编程。

由于 MEMS 振荡器（编程前）可生成数百万个零件编号，因此这种节省成本和时间的优势是可能的。一旦基本部件合格，就可以对其进行配置，以支持各种规格。

最大的间接节约之一可能是更高的质量和可靠性。SiTime MEMS 振荡器的 DPPM 小于 1，MTBF（平均无故障时间）超过 20 亿小时，是典型石英器件的 50 倍。此外，与石英晶体相比，SiTime MEMS 振荡器在冲击和振动下的存活率要高得多。

石英晶体的故障率较高，会在很多方面增加成本，例如用于根本原因分析的额外资源成本或额外的服务和更换成本。而且，质量问题对品牌声誉造成的损害会对公司的底线产生巨大而持久的负面影响。

       使用振荡器代替晶体可以在许多方面降低成本。为什么不省去所有麻烦和额外开支，而要使用振荡器呢？当采购工作专注于降低元件成本时，请记住，从长远来看，着眼全局才能最终节省成本。