晶振的基本原理及特性

1、晶振的基本原理及特性晶振一般采用如圖1a的電容三端式（考畢茲）交流等效振蕩電路；實(shí)際的晶振交流等效電路如圖1b,其中Cv是用來調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般用變?nèi)荻O管加上不同的反偏電壓來實(shí)現(xiàn)，這也是壓控作用的機(jī)理；把晶體的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co,C1,L1,RR是晶體的等效電路。圖t晶振電路及其等效槽路分析整個(gè)振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻率是有限的：決定振蕩頻率的整個(gè)槽路電容C=Cbe,Cce,Cv三個(gè)電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)?？梢钥闯觯篊1越小，Co越大，Cv變化時(shí)對(duì)整個(gè)槽路電容的作用就越小。因而能壓控”的頻率范圍也越小。實(shí)際上，由于C1很?。?E-15量級(jí)），Co不能忽略（1

2、E-12量級(jí),幾PF）。所以，Cv變大時(shí)，降低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時(shí)，升高槽路頻率的作用卻越來越大。這一方面引起壓控特性的非線性，壓控范圍越大，非線性就越厲害；另一方面，分給振蕩的反饋電壓（Cbe上的電壓）卻越來越小，最后導(dǎo)致停振。采用泛音次數(shù)越高的晶振，其等效垃C1就越小；因此頻率的變化范圍也就越小。晶振的指標(biāo)總頻差：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大偏差。說明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率老化率造成的偏差、頻率電壓特性和頻率負(fù)載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對(duì)短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心，而對(duì)其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場(chǎng)

3、合采用。例如：精密制導(dǎo)雷達(dá)。頻率穩(wěn)定度：任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對(duì)的，程度不同而已。一個(gè)晶振的輸出頻率隨時(shí)間變化的曲線如圖2。圖中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素：老化、飄移和短穩(wěn)。圖2晶振輸出頻率隨時(shí)間變化的示意圖曲線1是用0.1秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4是用1天一次測(cè)量的情況。表現(xiàn)了品振的老化。頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負(fù)載下,工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。ft=（fmax-fmin）/（fmax+fmin）ftref=tMAX|（fmax-fref）/fref|,|（fmin-fref

4、）/fref|ft:頻率溫度穩(wěn)定度（不帶隱含基準(zhǔn)溫度）ftref:頻率溫度穩(wěn)定度（帶隱含基準(zhǔn)溫度）fmax:規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最高頻率fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最低頻率fref:規(guī)定基準(zhǔn)溫度測(cè)得的頻率說明：采用ftref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標(biāo)的晶體振蕩器，故ftref指標(biāo)的晶體振蕩器售價(jià)較高。開機(jī)特性（頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間）：指開機(jī)后一段時(shí)間（如5分鐘）的頻率到開機(jī)后另一段時(shí)間（如1小時(shí)）的頻率的變化率。表示了晶振達(dá)到穩(wěn)定的速度。這指標(biāo)對(duì)經(jīng)常開關(guān)的儀器如頻率計(jì)等很有用。說明：在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振蕩器是長(zhǎng)期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要頻繁的開機(jī)和關(guān)機(jī)，這時(shí)頻率穩(wěn)

5、定預(yù)熱時(shí)間指標(biāo)需要被考慮到（尤其是對(duì)于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺(tái)，當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度&0.3ppm45c85C）,采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間將不少于5分鐘，而采用MCXO只需要十幾秒鐘）。頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測(cè)量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，因此，其頻率偏移的速率叫老化率，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如土0ppb/天,加電72小時(shí)后），或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化（如：1ppmZ（第一年）和d5ppmZ（十年）來表示。晶體老化是因?yàn)樵谏a(chǎn)晶體的時(shí)候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問

6、題。應(yīng)力要經(jīng)過一段時(shí)間的變化才能穩(wěn)定，一種叫應(yīng)力補(bǔ)償”的晶體切割方法（SC切割法）使晶體有較好的特性。污染物和殘留氣體的分子會(huì)沉積在晶體片上或使晶體電極氧化，振蕩頻率越高，所用的晶體片就越薄，這種影響就越厲害。這種影響要經(jīng)過一段較長(zhǎng)的時(shí)間才能逐漸穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定隨著溫度或工作狀態(tài)的變化會(huì)有反復(fù)一一使污染物在晶體表面再度集中或分散。因此，頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時(shí)間長(zhǎng)的晶振比工作時(shí)間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。說明：TCXO的頻率老化率為：i0.2Ppm芝ppm（第一年）和土ppm5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率老化率的指標(biāo)，因?yàn)榧词乖趯?shí)

7、驗(yàn)室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過溫度補(bǔ)償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個(gè)指標(biāo)失去了實(shí)際的意義）。OCXO的頻率老化率為：此5ppb步0ppb/天（力口電72小時(shí)后），0ppb芝ppm（第一年），如.3ppm曲ppm（十年）。短穩(wěn)：短期穩(wěn)定度，觀察的時(shí)間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。晶振的輸出頻率受到內(nèi)部電路的影響（晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩(wěn)定性、工作狀態(tài)等）而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)定。測(cè)量一連串的頻率值后，用阿倫方程計(jì)算。相位噪音也同樣可以反映短穩(wěn)的情況（要有專用儀器測(cè)量）。重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定后關(guān)機(jī)，停機(jī)一段時(shí)間t1（如24小時(shí)），開機(jī)一段

8、時(shí)間t2（如4小時(shí)），測(cè)得頻率f1,再停機(jī)同一段時(shí)間t1,再開機(jī)同一段時(shí)間t2,測(cè)得頻率f20重現(xiàn)性=（f2-f1）/f2。頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。說明：基準(zhǔn)電壓為+2.5V,規(guī)定終點(diǎn)電壓為+0.5V和+4.5V,壓控晶體振蕩器在+0.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為-2ppm,在+4.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為+2.1ppm,則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：2ppm（2.5V2V斜率為正，線性為+2.4%。壓控頻率響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻率變化時(shí)，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干d

9、B表示。說明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應(yīng)為010kHz。頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分?jǐn)?shù)表示整個(gè)范圍頻偏的可容許非線性度。說明：典型的VCXO頻率壓控線性為：10%20%簡(jiǎn)單的VCXO頻率壓控線性計(jì)算方法為（當(dāng)頻率壓控極性為正極性時(shí)）：頻率壓控線性=3（fmax-fmin）/f0）100%fmax：VCXO在最大壓控電壓時(shí)的輸出頻率fmin:VCXO在最小壓控電壓時(shí)的輸出頻率f0:壓控中心電壓頻率單邊帶相位噪聲（f）：偏離載波f處，一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。輸出波形：從大類來說，輸出波形可以分為方波和正弦波兩類。方波主

10、要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)鐘上，對(duì)方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等幾個(gè)指標(biāo)要求。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信、雷達(dá)和高速數(shù)傳等類似系統(tǒng)中，需要高質(zhì)量的信號(hào)源作為日趨復(fù)雜的基帶信息的載波。因?yàn)橐粋€(gè)帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載波信號(hào)（不干凈的信號(hào)）被載有信息的基帶信號(hào)調(diào)制后，這些理想狀態(tài)下不應(yīng)存在的頻譜成份（載波中的寄生調(diào)制）會(huì)導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量及數(shù)傳誤碼率明顯變壞。所以作為所傳輸信號(hào)的載體，載波信號(hào)的干凈程度（頻譜純度）對(duì)通信質(zhì)量有著直接的影響。對(duì)于正弦波，通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)。晶振的分類根據(jù)晶振的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，可以將晶振分為以下四類：1）恒溫晶體振蕩器

11、（以下簡(jiǎn)稱OCXO）這類型晶振對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術(shù)，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響,達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設(shè)備，包括交換機(jī)、SDH傳輸設(shè)備、移動(dòng)通信直放機(jī)、GPS接收機(jī)、電臺(tái)、數(shù)字電視及軍工設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)用戶需要，該類型晶振可以帶壓控引腳。OCXO的工作原理如下圖3所示：圖3恒溫晶體振蕩器原理框圖OCXO的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于采用了恒溫槽技術(shù)，頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的，由于電路設(shè)計(jì)精密，其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時(shí)間才能正常工作等。我

12、公司生產(chǎn)的此類晶振的典型指標(biāo)如下：額定頻率:lOJIHi128HHiIOOIHe輸出波密：正弦波/方波正弦波正弦波雜散：優(yōu)于一叩亞m優(yōu)于175dlm優(yōu)于-T5dEm日老化率：iSE-10絲E-9i5E-9壓控范圍：=E-7=E-6耳E-6溫度穩(wěn)定度：i1E-B絲EY耳E-8短稿：5E-ll/sIE-10/e2）溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（以下簡(jiǎn)稱TCXO）o其對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補(bǔ)償手段，主要原理是通過感應(yīng)環(huán)境溫度，將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償，隨著補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，很多數(shù)字化補(bǔ)償大TCXO開始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補(bǔ)償

13、的TCXO又叫DTCXO,用單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)我們稱之為MCXO,由于采用了數(shù)字化技術(shù)，這一類型的晶振再溫度特性上達(dá)到了很高的精度，并且能夠適應(yīng)更寬的工作溫度范圍，主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。在廣大研發(fā)人員的共同努力下，我公司自主開發(fā)出了高精度的MCXO,其設(shè)計(jì)原理和在世界范圍都是領(lǐng)先的，配以高度自動(dòng)化的生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)，其月產(chǎn)可以達(dá)到5000只，其設(shè)計(jì)原理如圖4。圖4MCXO數(shù)字溫補(bǔ)晶振原理框圖這類型晶振的典型的應(yīng)用指標(biāo)如下：前定頻率；64MH工97.536HHi輸出波形：正皺波正弦波雜散:憂于75&E優(yōu)于-T5dBm日老化率：1E-B微調(diào)范圉：短E-6lE-6：溫度穩(wěn)度dCE-83)

14、普通晶體振蕩器(SPXO)。這是一種簡(jiǎn)單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振，其工作原理為圖3中去除壓控”、溫度補(bǔ)償”和“AGC部分，完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合。4)壓控晶體振蕩器(VCXO)o這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來分類，帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO,以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。(end)晶振原理作者louguofa日期2006-11-2823:00:00今天調(diào)電路碰到了一些關(guān)于晶振的問題，又重新翻了一遍晶振的相關(guān)知識(shí)：無源晶體與有源晶振的區(qū)別、應(yīng)用范圍及用法：1-無源晶體無源晶體需要用DSP片內(nèi)的振蕩器，在datasheet上有建議的連接方法

15、。無源晶體沒有電壓的問題，信號(hào)電平是可變的，也就是說是根據(jù)起振電路來決定的，同樣的晶體可以適用于多種電壓，可用于多種不同時(shí)鐘信號(hào)電壓要求的DSP,而且價(jià)格通常也較低，因此對(duì)于一般的應(yīng)用如果條件許可建議用晶體，這尤其適合于產(chǎn)品線豐富批量大的生產(chǎn)者。無源晶體相對(duì)于晶振而言其缺陷是信號(hào)質(zhì)量較差，通常需要精確匹配外圍電路（用于信號(hào)匹配的電容、電感、電阻等），更換不同頻率的晶體時(shí)周邊配置電路需要做相應(yīng)的調(diào)整。建議采用精度較高的石英晶體，盡可能不要采用精度低的陶瓷警惕。2-有源晶振一一有源晶振不需要DSP的內(nèi)部振蕩器，信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對(duì)簡(jiǎn)單（主要是做好電源濾波，通常使用一個(gè)電容和電感構(gòu)

16、成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個(gè)小阻值的電阻過濾信號(hào)即可），不需要復(fù)雜的配置電路。有源晶振通常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。相對(duì)于無源晶體，有源晶振的缺陷是其信號(hào)電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，靈活性較差，而且價(jià)格高。對(duì)于時(shí)序要求敏感的應(yīng)用，個(gè)人認(rèn)為還是有源的晶振好，因?yàn)榭梢赃x用比較精密的晶振，甚至是高檔的溫度補(bǔ)償品振。有些DSP內(nèi)部沒有起振電路，只能使用有源的晶振，如TI的6000系歹等。有源晶振相比于無源晶體通常體積較大，但現(xiàn)在許多有源晶振是表貼的，體積和品體相當(dāng)，有的甚至比許多晶體還要小。幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：1、需要倍頻的DS%要配置好PLL周邊配置電路，主要是隔離

17、和濾波；2、20MH下的晶體晶振基本上都是基頻的器件，穩(wěn)定度好，20MH上的大多是諧波的（如3次諧波、5次諧波等等），穩(wěn)定度差，因此強(qiáng)烈建議使用低頻的器件，畢竟倍頻用的PLL電路需要的周邊配置主要是電容、電阻、電感，具穩(wěn)定度和價(jià)格方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于晶體晶振器件；3、時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)度盡可能短，線寬盡可能大，與其它印制線間距盡可能大，緊靠器件布局布線，必要時(shí)可以走內(nèi)層，以及用地線包圍；4、通過背板從外部引入時(shí)鐘信號(hào)時(shí)有特殊的設(shè)計(jì)要求，需要詳細(xì)參考相關(guān)的資料。此外還要做一些說明：總體來說晶振的穩(wěn)定度等方面好于晶體，尤其是精密測(cè)量等領(lǐng)域，絕大多數(shù)用的都是高檔的晶振，這樣就可以把各種補(bǔ)償技術(shù)集成在一起，減少了

18、設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。試想，如果采用晶體，然后自己設(shè)計(jì)波形整形、抗干擾、溫度補(bǔ)償，那樣的話設(shè)計(jì)的復(fù)雜性將是什么樣的呢？我們這里設(shè)計(jì)射頻電路等對(duì)時(shí)鐘要求高的場(chǎng)合，就是采用高精度溫補(bǔ)晶振的，工業(yè)級(jí)的要好幾百元一個(gè)。特殊領(lǐng)域的應(yīng)用如果找不到合適的晶振，也就是說設(shè)計(jì)的復(fù)雜性超出了市場(chǎng)上成晶品振水平，就必須自己設(shè)計(jì)了，這種情況下就要選用晶體了，不過這些晶體肯定不是市場(chǎng)上的普通晶體，而是特殊的高端晶體，如紅寶石晶體等等。更高要求的領(lǐng)域情況更特殊，我們這里在高精度測(cè)試時(shí)采用的時(shí)鐘甚至是原子鐘、鋤鐘等設(shè)備提供的，通過專用的射頻接插件連接，是個(gè)大型設(shè)備，相當(dāng)笨重。、晶振：即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時(shí)鐘振蕩器的統(tǒng)稱。

19、不過由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指鐘振。2、分類。首先說一下諧振器。諧振器一般分為插件（Dip）和貼片（SMDo插件中又分為HC-49UHC-49U/S音叉型（圓柱）。HC-49U-般稱49U,有些采購(gòu)俗稱“高型”，而HC-49U/S一般稱49S,俗稱“矮型”。音叉型按照體積分可分為3*8,2*6,1*5,1*4等等。貼片型是按大小和腳位來分類。例如7*5（0705）、6*3.5（0603）,5*3.2（5032）等等。腳位有4pin和2pin之分。而振蕩器也是可以分為插件和貼片。插件的可以按大小和腳位來分。例如所謂全尺寸的

20、，又稱長(zhǎng)方形或者14pin,半尺寸的又稱為正方形或者8pin。不過要注意的是，這里的14pin和8pin都是指振蕩器內(nèi)部核心IC的腳位數(shù)，振蕩器本身是4pin。而從不同的應(yīng)用層面來分，又可分為OSC普通鐘振），TCXO（溫度補(bǔ)償），VCXO（壓控），OCXO恒溫）等等。3、基本術(shù)語。我想這也是很多采購(gòu)?fù)瑢W(xué)比較模糊的地方。這里我選了一些常用的諧振器術(shù)語拿來做一下解釋。FrequencyTolerance（調(diào)整頻差）：在規(guī)定條件下，在基準(zhǔn)溫度（252）與標(biāo)稱頻率允許的偏差。一般用PPm（百萬分之）表示。FrequencyStability（溫度頻差）：指在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，與標(biāo)稱頻率允許的偏差。用PPm表示。Aging（年老化率）：在規(guī)定條件下，晶體工作頻率隨時(shí)間而允許的相對(duì)變化。以年為時(shí)間單位衡量時(shí)稱為年老化率。ShuntCapacitance（靜電容）：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容，也叫并電容，通常用C0表示。LoadCapa