晶體振蕩器basic課件

晶體振蕩器BasicColinLiu時(shí)鐘與振蕩器 時(shí)鐘是電路中脈搏。時(shí)鐘電路的作用是向電路各部分提供基準(zhǔn)頻率。它就像個(gè)標(biāo)尺。時(shí)鐘頻率不穩(wěn)定會(huì)造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，出現(xiàn)各種問題。 時(shí)鐘電路的核心是一個(gè)振蕩器，必要時(shí)還包括鎖相環(huán)PLL。振蕩器是一個(gè)由放大器和諧振回路組成的正反饋電路。時(shí)鐘源分類 根據(jù)諧振回路的不同，時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；MEMS振蕩器屬于機(jī)械式。基于相移電路的時(shí)鐘源，如：RC(電阻、電容)，LC(電感、電容)振蕩器。機(jī)械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別

RC、LC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。

機(jī)械式諧振器目前的市場霸主是晶體振蕩器，其特點(diǎn)是精度很高。以目前的工藝，常見的有50ppm,20pmm,10ppm,2ppm,1ppm,0.5ppm(ppm--百萬分之x)。晶振的特性 晶振是石英振蕩器的簡稱。石英晶體Crystal是一種機(jī)電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。 石英晶體有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，其振蕩頻率與形狀、材料、切割方向等密切相關(guān)。由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)非常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準(zhǔn)確。石英諧振原理--壓電效應(yīng) 石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于其壓電效應(yīng)。從物理學(xué)中知道，若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。是機(jī)-電-機(jī)-電....的不斷轉(zhuǎn)換 如在極板間所加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場。這種機(jī)械振動(dòng)的振幅很小，其振動(dòng)頻率很穩(wěn)定。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。其特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度很高。

石英晶體的等效電路影響振蕩器工作的環(huán)境因素 影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾(EMI)、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、溫度和濕度。這些因素會(huì)增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。 所以，晶振的封裝很講究，金屬、陶瓷外殼起屏蔽和機(jī)械穩(wěn)定作用。無源晶振和有源晶振市場上晶體振蕩器分為無源有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振實(shí)際上是一顆石英晶體，需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無法振蕩起來，所以“無源晶振”這個(gè)說法并不準(zhǔn)確；有源晶振--振蕩器模塊，才是一個(gè)完整的振蕩器。 振蕩器的性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響較大。需認(rèn)真對(duì)待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。相比之下，有源晶振（鐘振）更加穩(wěn)定，工程應(yīng)用更加方便。有源晶振石英晶體振蕩器的主要參數(shù)晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率、頻率精度、頻率穩(wěn)定度、相位抖動(dòng)Jitter/相位噪聲、負(fù)載電容、工作電壓、工作電流等。不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。頻率精度從10^(-4)量級(jí)到10^(-10)量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±0.1到±100ppm不等。相位抖動(dòng)Jitter/相位噪聲Noise，如10ps/-80dBc@offsetfreq工作電壓：5V，3.3V,3.0V,2.5V,1.8V如何選擇晶振晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。不同性能的晶振，價(jià)格也不同，要求越高，價(jià)格也越貴。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д瘛Ｍㄐ啪W(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。各種晶振的精度范圍普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級(jí)，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10^(-7)～10^(-6)量級(jí)，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±0.5～±2.5ppm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設(shè)備等。恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。

晶振的缺點(diǎn)受石英晶體自身的特性限制，比較脆弱，抗震性能差；由于切割尺寸難以繼續(xù)縮小，頻率難以繼續(xù)提高；受封裝限制，體積