晶振的原理及特性

我們常說的晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電消耗很小的石英晶體經(jīng)精細切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特征，假如給他通電，他就會產(chǎn)活力械振蕩，反之，假如給他機械力，他又會產(chǎn)生電，這種特征叫機電效應(yīng)。他們有一個很重要的特色，其振蕩頻次與他們的形狀，資料，切割方向等親密有關(guān)。因為石英晶體化學(xué)性能特別穩(wěn)固，熱膨脹系數(shù)特別小，其振蕩頻次也特別穩(wěn)固，因為控制幾何尺寸能夠做到很精細，所以，其諧振頻次也很正確。依據(jù)石英晶體的機電效應(yīng)，我們能夠把它等效為一個電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機電效應(yīng)是機-電-機-電???.的不停變換，由電感和電容構(gòu)成的諧振回路是電場-磁場的不停變換。在電路中的應(yīng)用其實是把它看作一個高Q值的電磁諧振回路。因為石英晶體的消耗特別小，即Q值特別高，做振蕩器用時，能夠產(chǎn)生特別穩(wěn)固的振蕩，作濾波器用，能夠獲取特別穩(wěn)固和陡削的帶通或帶阻曲線。無源晶體與有源晶振的差別、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上有建議的連結(jié)方法。無源晶體沒有電壓的問題，信號電平是可變的，也就是說是依據(jù)起振電路來決定的，相同的晶體能夠合用于多種電壓， 可用于多種不一樣時鐘信號電壓要求的DSP，并且價錢往常也較低，所以關(guān)于一般的應(yīng)用假如條件同意建議用晶體，這特別適合于產(chǎn)品線豐富批量大的生產(chǎn)者。無源晶體有關(guān)于晶振而言其缺點是信號質(zhì)量較差，往常需要精準般配外頭電路（用于信號般配的電容、電感、電阻等），改換不一樣頻次的晶體時周邊配置電路需要做相應(yīng)的調(diào)整。 建議采納精度較高的石英晶體，盡可能不要采納精度低的陶瓷警惕。2、 有源晶振一一有源晶振不需要DSP的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)固，并且連結(jié)方式相對簡單（主假如做好電源濾波，往常使用一個電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可），不需要復(fù)雜的配置電路。有源晶振往常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。有關(guān)于無源晶體，有源晶振的缺點是其信號電平是固定的，需要選擇好適合輸出電平，靈巧性較差，并且價錢高。關(guān)于時序要求敏感的應(yīng)用，個人以為仍是有源的晶振好，因為能夠采納比較精細的晶振，甚至是高檔的溫度賠償晶振。有些DSP內(nèi)部沒有起振電路，只好使用有源的晶振，如TI的6000系列等。有源晶振對比于無源晶體往常體積較大，但此刻很多有源晶振是表貼的，體積和晶體相當(dāng)，有的甚至比很多晶體還要小。幾點注意事項：1、 需要倍頻的DSP需要配置好PLL周邊配置電路，主假如隔絕和濾波；2、 20MHz以下的晶體晶振基本上都是基頻的器件，穩(wěn)固度好，20MHz以上的大多是諧波的（如3次諧波、5次諧波等等），穩(wěn)固度差，所以激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假如電容、電阻、電感，其穩(wěn)固度和價錢方面遠遠好于晶體晶振器件；3、 時鐘信號走線長度盡可能短，線寬盡可能大，與其余印制線間距盡可能大，緊靠器件布局布線，必需時能夠走內(nèi)層，以及用地線包圍；4、 經(jīng)過背板從外面引入時鐘信號時有特別的設(shè)計要求，需要詳盡參照有關(guān)的資料。別的還要做一些說明：整體來說晶振的穩(wěn)固度等方面好于晶體， 特別是精細丈量等領(lǐng)域，絕大部分用的都是高檔的晶振，這樣就能夠把各樣賠償技術(shù)集成在一同，減少了設(shè)計的復(fù)雜性。試想，假如采納晶體，而后自己設(shè)計波形整形、抗擾亂、溫度賠償，那樣的話設(shè)計的復(fù)雜性將是什么樣的呢？我們這里設(shè)計射頻電路等對時鐘要求高的場合，就是采納高精度溫補晶振的，工業(yè)級的要好幾百元一個。特別領(lǐng)域的應(yīng)用假如找不到適合的晶振，也就是說設(shè)計的復(fù)雜性高出了市場上成品晶振水平，就一定自己設(shè)計了，這種狀況下就要采納晶體了，可是這些晶體必定不是市場上的一般晶體，而是特別的高端晶體，如紅寶石晶體等等。更高要求的領(lǐng)域狀況更特別，我們這里在高精度測試時采納的時鐘甚至是原子鐘、銣鐘等設(shè)施供給的，經(jīng)過專用的射頻接插件連結(jié)，是個大型設(shè)施，相當(dāng)粗笨。、晶振：即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時鐘振蕩器的統(tǒng)稱?？墒且驗樵诨ㄙM類電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的觀點中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是往常所指鐘振。2、 分類。第一說一下諧振器。諧振器一般分為插件（Dip）和貼片（SMD）。插件中又分為HC-49U、HC-49U/S、音叉型（圓柱）。HC-49U一般稱49U，有些采買俗稱“高型”，而HC-49U/S一般稱49S，俗稱“矮型”。音叉型依據(jù)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。比如7*5（0705）、（0603），5032）等等。腳位有4pin和2pin之分。而振蕩器也是能夠分為插件和貼片。插件的能夠按大小和腳位來分。比如所謂全尺寸的，又稱長方形或許14pin，半尺寸的又稱為正方形或許8pin?？墒且⒁獾氖?這里的14pin和8pin都是指振蕩器內(nèi)部中心IC的腳位數(shù)，振蕩器自己是4pin。而從不一樣的應(yīng)用層面來分，又可分為OSC（一般鐘振），TCXO（溫度賠償），VCXO（壓控），OCXO（恒溫）等等。3、 基本術(shù)語。我想這也是好多采買同學(xué)比較模糊的地方。這里我選了一些常用的諧振器術(shù)語拿來做一下解說。FrequencyTolerance（調(diào)整頻差）：在規(guī)定條件下，在基準溫度（25±2°C）與標稱頻次同意的誤差。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)，與標稱頻次同意的誤差。用PPm表示。Aging（年邁化率）：在規(guī)定條件下，晶體工作頻次隨時間而同意的相對變化。以年為時間單位權(quán)衡時稱為年邁化率。ShuntCapacitance（靜電容）：等效電路中與串連臂并接的電容，也叫并電容，往常用C0表示。LoadCapacitance（負載電容）：與晶體一同決定負載諧振頻次fL的有效外界電容,往常用CL表示。一般最關(guān)注的參數(shù)有2個，即調(diào)整頻差，負載電容。有一部分對溫度頻差有要求。假如工作溫度范圍比較廣，則會對工作溫度范圍有所要求，即所謂寬溫。4、 采納。主要講講諧振器。理論上來說，只需參數(shù)確立，選任何一種型號都是能夠正常使用的。比如49U和49S替代，49S和圓柱以及和貼片替代，都是沒有問題的。但在實質(zhì)選擇中會依據(jù)電路特色，成本以及便利性來考量和選擇。一般來說，簡單的應(yīng)用中主要都是從成本在考慮?？墒怯行┊a(chǎn)品或許電路會對晶振的等效電阻，激勵功率等等提出要求，所以就會在不一樣的型號中加以選擇。此外，

貼片則主假如為了適應(yīng)產(chǎn)品日趨小型化和提升生產(chǎn)效率的要求。聽到有些采買朋友說，只好選49S而不可以用49U或許反之，這是一個小誤區(qū)。呵呵。而鐘振的選擇則主要決定產(chǎn)品電路的特征的要求，一般來說鐘振在精細性以及需要達到有關(guān)應(yīng)用的要求會更好。比如手機，通信機站，衛(wèi)星等等。諧振器和鐘振他們的卻別在于諧振器是最簡單的沒有任何賠償?shù)恼袷幤?，而我們往常說的鐘振是由一個諧振器加上ic構(gòu)成一個回路而實現(xiàn)其自己的功能。以vcxo為例：壓控晶體振蕩器（VCXO）是經(jīng)過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是能夠調(diào)制的石英晶體振蕩器。VCXO主要由石英諧振器、變?nèi)荻O管和振蕩電路構(gòu)成，其工作原理是經(jīng)過控制電壓來改變變?nèi)荻O管的電容，進而“牽引”石英諧振器的頻次，以達到頻次調(diào)制的目的。VCXO大多用于鎖相技術(shù)、頻次負反應(yīng)調(diào)制的目的。晶振原理晶振一般采納如圖1a的電容三端式（考畢茲）溝通等效振蕩電路；實質(zhì)的晶振溝通等效電路如圖1b，此中Cv是用來調(diào)理振蕩頻次，一般用變?nèi)荻O管加上不一樣的反偏電壓來實現(xiàn)，這也是壓控作用的機理;把晶體的等效電路取代晶體后如圖1c。此中Co,C1，L1，RR是晶體的等效電路。決定振蕩頻次的整個槽路電^C=Cbe,Cce,Cv三剖析整個振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻次是有限的:個電容串連后和Co并聯(lián)再和C1串連如能夠看.出：C1越小，Co越大，Cv變化時對整個槽路電容的作用就越小。因此能“壓控”的頻次范圍也越小。實質(zhì)上，因為C1很小（1E-15量級），Co不可以忽視（1E-12量級，幾PF）。所以，Cv變大時，降低槽路頻次的作用愈來愈小，Cv變小時，高升槽路頻次的作用卻愈來愈大。這一方面惹起壓控特征的北線性，壓控范圍越大，北線性就越厲害；另一方面，分給振蕩的反應(yīng)電壓決定振蕩頻次的整個槽路電^C=Cbe,Cce,Cv三采納泛音次數(shù)越高的晶振，其等效電容C1就越?。凰灶l次的變化范圍也就越小。晶振的指標總頻差：在規(guī)定的時間內(nèi)，因為規(guī)定的工作和非工作參數(shù)所有組合而惹起的晶體振蕩器頻次與給定標稱頻次的最大誤差。說明：總頻差包含頻次溫度穩(wěn)固度、頻次老化率造成的誤差、頻次電壓特征和頻次負載特征等共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻次穩(wěn)固度關(guān)懷，而對其余頻次穩(wěn)固度指標不嚴格要求的場合采納。比如:精細制導(dǎo)雷達。頻次穩(wěn)固度：任何晶振，頻次不穩(wěn)固是絕對的，程度不一樣而已。一個晶振的輸出頻次隨時間變化的曲線如圖2。圖中表現(xiàn)出頻次不穩(wěn)固的三種要素：老化、飄移和短穩(wěn)。圖2晶振輸出頻次隨時間變化的表示圖曲線1是用秒丈量一次的狀況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100秒丈量一次的狀況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4是用1天一次丈量的狀況。表現(xiàn)了晶振的老化。頻次溫度穩(wěn)固度：在標稱電源和負載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準溫度或帶隱含基準溫度的最大同意頻偏。 ft=±（fmax-fmin）/（fmax+fmin）ftref=±MAX[|（fmax-fref）/fref|,|（fmin-fref）/frefft：頻次溫度穩(wěn)固度（不帶隱含基準溫度）ftref :頻次溫度穩(wěn)固度（帶隱含基準溫度）fmax:規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻次fmin:規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻次fref:規(guī)定基準溫度測得的頻次說明：米納ftref晶體振蕩器指標的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采納 f指標的故 ftref指標的晶體振蕩器售價較高。 t開機特征（頻次穩(wěn)固預(yù)熱時間）：指開機后一段時間（如5分鐘）的頻次到開機后另一段時間（如1小時）的頻次的變化率。表示了晶振達到穩(wěn)固的速度。這指標對常常開關(guān)的儀器如頻次計等很實用。說明：在多半應(yīng)用中，晶體振蕩器是長久加電的，但是在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要屢次的開機和關(guān)機，這時頻次穩(wěn)固預(yù)熱時間指標需要被考慮到（特別是關(guān)于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通信電臺，當(dāng)要求頻次溫度穩(wěn)固度W±0.3ppm（-45°C?85°C）,采納OCXO作為本振，頻次穩(wěn)固預(yù)熱時間將許多于5分鐘，而采納MCXO只需要十幾秒鐘）。頻次老化率：在恒定的環(huán)境條件下丈量振蕩器頻次時，振蕩器頻次和時間之間的關(guān)系。這種長久頻次漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的遲緩變化造成的，所以，其頻次偏移的速率叫老化率，可用規(guī)準時限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時后），或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻次變化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））來表示。晶體老化是因為在生產(chǎn)晶體的時候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、構(gòu)造工藝缺點等問題。應(yīng)力要經(jīng)過一段時間的變化才能穩(wěn)固，一種叫“應(yīng)力賠償”的晶體切割方法（SC切割法）使晶體有較好的特征。污染物和殘留氣體的分子會堆積在晶體片上或使晶體電極氧化，振蕩頻次越高，所用的晶體片就越薄，這種影響就越厲害。這種影響要經(jīng)過一段較長的時間才能漸漸穩(wěn)固，并且這種穩(wěn)固跟著溫度或工作狀態(tài)的變化會有頻頻一一使污染物在晶體表面再度集中或分別。所以，頻次低的晶振比頻次高的晶振、工作時間長的晶振比工作時間短的晶振、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的頻次老化率為：土?±2ppm（第一年）和±1ppm?±5ppm（十年）（除特別狀況，TCXO極少采納每日頻次老化率的指標，因為即便在實驗室的條件下，溫度變化惹起的頻次變化也將大大超出溫度賠償晶體振蕩器每日的頻次老化，所以這個指標失掉了實質(zhì)的意義）。OCXO的頻次老化率為：土?±10ppb/天（加電72小時后），±30ppb?±2ppm（第一年），土?±3ppm（十年）。短穩(wěn)：短期穩(wěn)固度，察看的時間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、秒。晶振的輸出頻次遇到內(nèi)部電路的影響（晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩(wěn)固性、工作狀態(tài)等）而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)固。丈量一連串的頻次值后，用阿倫方程計算。相位噪音也相同能夠反應(yīng)短穩(wěn)的狀況（要有專用儀器丈量）。重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長時間工作穩(wěn)固后關(guān)機，停機一段時間t1（如24小時），開機一段時間t2（如4小時），測得頻次f1，再停機同一段時間tl,再開機同一段時間t2,測得頻次f2。重現(xiàn)性=（f2-f1）/f2頻次壓控范圍：將頻次控制電壓從基準電壓調(diào)到規(guī)定的終點電壓，晶體振蕩器頻次的最小峰值改變量。說明：基準電壓為+,規(guī)定終點電壓為+和+,壓控晶體振蕩器在+頻次控制電壓時頻次改變量為-2ppm,在+頻次控制電壓時頻次改變量為+,則VCXO電壓控制頻次壓控范圍表示為：N±±2V）,斜 率為正，線性為+2.4%。壓控頻次響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻次變化時，峰值頻偏與調(diào)制頻次之間的關(guān)系。往常用規(guī)定的調(diào)制頻次比規(guī)定的調(diào)制基準頻次低若干dB表示。說明：VCXO頻次壓控范圍頻次響應(yīng)為0?10kHz。頻次壓控線性：與理想（直線）函數(shù)對比的輸出頻次-輸入控制電壓傳輸特征的一種量度，它以百分數(shù)表示整個范圍頻偏的可允許非線性度。說明：典型的VCXO頻次壓控線性為：W±10%,W±20%。簡單的VCXO頻次壓控線性計算方法為（當(dāng)頻次壓控極性為正極性時）:頻次壓控線性=±（（fmax-fmin）/f0）X100%fmax：VCXO在最大壓控電壓時的輸出頻次fmin：VCXO在最小壓控電壓時的輸出頻次f0：壓控中心電壓頻次單邊帶相位噪聲￡（f）：偏離載波f處，一個相位調(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，輸出波形能夠分為方波和正弦波兩類。方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上，對方波主要有輸出電平、占空比、上漲/降落時間、驅(qū)動能力等幾個指標要求。跟著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信、雷達和高速數(shù)傳等近似系統(tǒng)中，需要高質(zhì)量的信號源作為日趨復(fù)雜的基帶信息的載波。因為一個帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載波信號（不潔凈的信號）被載有信息的基帶信號調(diào)制后，這些理想狀態(tài)下不該存在的頻譜成份（載波中的寄生調(diào)制）會以致所傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量及數(shù)傳誤碼率顯然變壞。所以作為所傳輸信號的載體，載波信號的潔凈程度（頻譜純度）對通信質(zhì)量有著直接的影響。關(guān)于正弦波，往常需要供給比如諧波、噪聲和輸出功率等指標。晶振的分類依據(jù)晶振的功能和實現(xiàn)技術(shù)的不一樣，能夠?qū)⒕д穹譃橐韵滤念悾汉銣鼐w振蕩器（以下簡稱OCXO）這種類晶振對溫度穩(wěn)固性的解決方案采納了恒溫槽技術(shù)，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，經(jīng)過設(shè)置恒溫工作點，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在必定范圍內(nèi)不受外界溫度影響，達到穩(wěn)固輸出頻次的成效。這種晶振主要用于各樣種類的通信設(shè)施，包含互換機、SDH傳輸設(shè)施、挪動通信直放機、GPS接收機、電臺、數(shù)字電視及軍工設(shè)施等領(lǐng)域。依據(jù)用戶需要，該種類晶振能夠帶壓控引腳。OCXO的工作原理以下列圖3所示：J電壓變換一.震蕩▲逸艦?大I.酸昭輔由IOCXO的主要長處是，因為采納了恒溫槽技術(shù)，頻次溫度特征在所有種類晶振中是最好的，因為電路設(shè)計精細，冥短穩(wěn)和相位噪聲都較好：主要弊端是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時間才能正常工作等。我企業(yè)生產(chǎn)的此類晶振的典型指標以下：頜定頻率T10MHz12.BMH;LOOMH2輸出波形:正苑波/方波正琵波正蘢波雜散；憂于-80dim憂于位于?TSdI日走化率：±5E-10壓控范國TiTE-742E-6與E?6溫度穩(wěn)定度：±lE-8=SE-0短稽；lE-ll/slE-lO/s溫度賠償晶體振蕩器（以下簡稱TCXO）o其對溫度穩(wěn)固性的解決方案采納了一些溫度賠償手段，主要原理是經(jīng)過感覺環(huán)境溫度，將溫度信息做適合變換后控制晶振的輸出頻次，達到穩(wěn)固輸出頻次的成效。傳統(tǒng)的TCXO是采納模擬器件進行賠償，跟著賠償技術(shù)的發(fā)展，好多半字化賠償大TCXO開始出現(xiàn)，這種數(shù)字化賠償?shù)腡CXO又叫DTCXO,用單片機進行賠償時我們稱之為MCXO，因為采納了數(shù)字化技術(shù)，這一種類的晶振再溫度特征上達到了很高的精度，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)境惡劣的場合。在廣大研發(fā)人員的共同努力下，我企業(yè)自主開發(fā)出了高精度的MCXO，其設(shè)計原理和在世界范圍都是當(dāng)先的，配以高度自動化的生產(chǎn)測試系統(tǒng)，其月產(chǎn)能夠達到5000只，其設(shè)計原理如圖4。4MCXO數(shù)字