(整理)晶振的原理及特性.

1、精品文檔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。這種晶體有一個很重要的特性，如果給他通電，他就會產(chǎn)生機械振蕩，反之，如果給他機械力，他又會產(chǎn)生電，這種特性叫機電效應。 他們有一個很重要的特點， 其振蕩頻率與他們的形狀， 材料， 切割方向等密切相關。 由于石英晶體化學性能非常穩(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， 其諧振頻率也很準確。根據(jù)石英晶體的機電效應， 我們可以把它等效為一個電磁振蕩回路， 即諧振回路。他們的機電效應是機- 電- 機- 電 的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容

2、組成的諧振回路是電場-磁場的不斷轉(zhuǎn)換。在電路中的應用實際上是把它當作一個高Q值的電磁諧振回路。由于石英晶體的損耗非常小，即 Q 值非常高，做振蕩器用時，可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的振蕩， 作濾波器用， 可以獲得非常穩(wěn)定和陡削的帶通或帶阻曲線。無源晶體與有源晶振的區(qū)別、應用范圍及用法：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。 無源晶體沒有電壓的問題， 信號電平是可變的， 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， 可用于多種不同時鐘信號電壓要求的DSP而且價格通常也較低，因此對于一般的應用如果條件許可建議用品體， 這尤其適合于產(chǎn)品線豐富批

3、量大的生產(chǎn)者。 無源晶體相對于晶振而言其缺陷是信號質(zhì)量較差，通常需要精確匹配外圍電路（用于信號匹配的電容、電感、電阻等） ， 更換不同頻率的晶體時周邊配置電路需要做相應的調(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，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單 （主要是做好電源濾波， 通常使用一個電容和電感構成的PI 型濾波網(wǎng)絡，輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可），不需要復雜的配置電路。 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。相對于無源晶體， 有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的， 需要選

4、擇好合適輸出電平，靈活性較差，而且價格高。對于時序要求敏感的應用，個人認為還是有源的晶振好，因為可以選用比較精密的晶振，甚至是高檔的溫度補償晶振。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系列等。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， 體積和晶體相當，有的甚至比許多晶體還要小。幾點注意事項：1、需要倍頻的DS%要配置好PLL周邊配置電路，主要是隔離和濾波；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，因此強烈建議使用低頻的器件，畢竟倍頻用的

5、 PLL 電路需要的周邊配置主要是電容、電阻、電感，其穩(wěn)定度和價格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，與其它印制線間距盡可能大，緊靠器件布局布線，必要時可以走內(nèi)層，以及用地線包圍；4、通過背板從外部引入時鐘信號時有特殊的設計要求，需要詳細參考相關的資料。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， 尤其是精密測量等領域， 絕大多數(shù)用的都是高檔的晶振， 這樣就可以把各種補償技術集成在一起， 減少了設計的復雜性。試想，如果采用晶體，然后自己設計波形整形、抗干擾、溫度補償，那樣的話設計的復雜性將是什么樣的呢？我們這里設計射頻電路等對時鐘要求高的場合， 就

6、是采用高精度溫補晶振的，工業(yè)級的要好幾百元一個。特殊領域的應用如果找不到合適的晶振， 也就是說設計的復雜性超出了市場上成品晶振水平， 就必須自己設計了， 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。更高要求的領域情況更特殊，我們這里在高精度測試時采用的時鐘甚至是原子鐘、 銣鐘等設備提供的， 通過專用的射頻接插件連接， 是個大型設備， 相當笨重。、 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。不過由于在消費類電子產(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

7、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-般稱49U,有些采購俗稱 “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， 又稱長方形或者14pin ， 半尺寸的又稱為正方形或者 8pin 。 不過要注意的是，

8、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。而從不同的應用層面來分，又可分為OSC普通鐘振），TCXO（溫度補償）， VCXO（壓控），OCXO恒溫）等等。3、 基本術語。 我想這也是很多采購同學比較模糊的地方。 這里我選了一些常用的諧振器術語拿來做一下解釋。Frequency Tolerance （調(diào)整頻差）：在規(guī)定條件下，在基準溫度（25± 2）與標稱頻率允許的偏差。一般用 PPm（百萬分之）表示。Frequency Stability（ 溫度頻差 ） ：指在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，與標稱頻率允許的偏差。用PPm表示。Aging （

9、年老化率）：在規(guī)定條件下，晶體工作頻率隨時間而允許的相對變化。以年為時間單位衡量時稱為年老化率。Shunt Capacitance （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。Load Capacitance （負載電容）：與晶體一起決定負載諧振頻率fL 的有效外界電容，通常用CL表示。一般最關注的參數(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。如果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、選用。主要講講諧振器。理論上來說，只要參數(shù)確定，選任何一種型號都是可以正常使用的。例如49U和49S替換，49S和圓柱以及和貼片替換，都是

10、沒有問題的。 但在實際選擇中會根據(jù)電路特點， 成本以及便利性來考量和選擇。 一般來說， 簡單的應用中主要都是從成本在考慮。 但是有些產(chǎn)品或者電路會對晶振的等效電阻，激勵功率等等提出要求，所以就會在不同的型號中加以選擇。另外，貼片則主要是為了適應產(chǎn)品日益小型化和提高生產(chǎn)效率的要求。 聽到有些采購朋友說，只能選 49S 而不能用 49U 或者反之，這是一個小誤區(qū)。呵呵。而鐘振的選擇則主要決定產(chǎn)品電路的特性的要求，一般來說鐘振在精密性以及需 要達到相關應用的要求會更好。例如手機，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補償?shù)恼袷幤?，而我們通常說的鐘振是由一個諧振器加上i

11、c組成一個回路而實現(xiàn)其自身的功能。以 vcxo為例：壓控晶體振蕩器（VCXO是通過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或 是可以調(diào)制的石英晶體振蕩器。VCXOE要由石英諧振器、變?nèi)荻O管和振蕩電 路組成，其工作原理是通過控制電壓來改變變?nèi)荻O管的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達到頻率調(diào)制的目的。VCXO：多用于鎖相技術、頻率負反饋調(diào)制的目的。品振原理晶振一般采用如圖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 容二極管加上不同的反偏電壓來實現(xiàn)，這也是壓控作用的機理；把晶體 的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co, C1, L

12、1, RR是晶體的等效電 路。圖t晶振電路及其等效糟跖虺 buC - rrl一_Ln 丁1丁ECcv分析整個振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻率是有限的：決定振蕩頻率 的整個槽路電容C=Cbe,Cce,Cv三個電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)。 可以看出：C1越小，Co越大,Cv變化時對整個槽路電容的作用就越小。 因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實際上，由于C1很?。?E-15量級）， Co不能忽略（1E-12量級，幾PF）。所以，Cv變大時，降低槽路頻率的 作用越來越小，Cv變小時，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

13、的反饋電壓（Cbe上的電壓）卻越來越小，最后導致停振。采用泛音次數(shù)越高的晶振，其等效電容C1就越??；因此頻率的變化范 圍也就越小。晶振的指標總頻差：在規(guī)定的時間內(nèi)，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 特性和頻率負載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩(wěn)定 度關心，而對 其他頻率穩(wěn)定度指標不嚴格要求的場合采用。例如：精密 制導雷達。頻率穩(wěn)定度：任何 晶振，頻率 不穩(wěn)定是絕對的，程度不同而已。一個晶 振的輸出頻率隨時間變化的曲線如圖2。圖中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種 因素：老化、飄

14、移和短穩(wěn)。圖2晶振輸出頻率隨時間變化的示意圖曲線1是用0.1秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100 秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4是用1天一次測量的 情況。表現(xiàn)了晶振的老化。頻率溫度穩(wěn)定度：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允許頻偏。ft= ± （fmax -fmin）/（fmax+fmin）ftref = ± MAX| （fmax-fref）/fref | , | （fmin-fref）/fref | ft ：頻率溫度穩(wěn)定度（不帶隱含基準溫度）ftref :頻率溫度穩(wěn)定度（帶隱含基準溫度）fmax

15、 :規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻率fmin :規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率fref :規(guī)定基準溫度測得的頻率說明：采用ftref 指標的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標的 晶體振蕩器，故ftref 指標的晶體振蕩器售價較高。開機特性（頻率穩(wěn)定預熱時間）：指開機后一段時間（如5分鐘）的頻率 到開機后另一段時間（如1小時）的頻率的變化率。表示了晶振達到穩(wěn)定 的速度。這指標對經(jīng)常開關的儀器如頻率計等很有用。說明：在多數(shù)應用中，晶體振蕩器是長期加電的，然而 在某些應用中品 體振蕩器需要頻繁的開機和關機，這時頻率穩(wěn)定預熱時間指標需要被考 慮到（尤其是對于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺，當要求頻率溫度

16、 穩(wěn)定度& ± 0.3ppm（ -45 C85 C ）,采用OCXO乍為本振，頻 率穩(wěn)定預熱 時間將不少于5分鐘，而采用MCXOR需要十幾秒鐘）。頻率 老化 率：在 恒定 的環(huán) 境條 件 下 測量 振 蕩器 頻率 時，振 蕩器 頻率 和時 間之間的關系。 這 種 長期 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)最大的總頻率變化（如：±1ppm/ （第一年）和±5ppm/ （十年）來表示。晶體

17、老化 是因 為在 生 產(chǎn)晶 體的 時候 存在 應 力、污染 物、殘留 氣 體、結構工藝 缺陷 等問 題。應 力要 經(jīng)過 一段 時間 的 變化 才能 穩(wěn)定，一種 叫 “ 應 力 補償 ”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)過一段較長的時間才能逐 漸穩(wěn)定，而且這種穩(wěn) 定隨著溫度或工作狀 態(tài)的變化會有 反復 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、工作時間

18、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的頻率老化率為：± 0.2ppm ±2ppm（第一年）和 ±1ppm ±5ppm（十 年）（除特殊情況，TCXOa少采用每天頻率老化率的指標， 因為 即使 在實 驗室 的 條件 下， 溫度 變化 引 起的 頻率 變化 也將 大 大超 過溫 度補 償晶 體振 蕩器 每 天的 頻率 老化， 因此 這個 指標 失去 了實 際 的意 義） 。 OCXO勺頻 率老 化率 為：±0.5ppb ±10ppb/天（加電72小時后）， ±30ppb &#

19、177;2ppm（ 第一年）, ±0.3ppm±3ppm（十年）。短穩(wěn) ：短 期穩(wěn) 定度 ， 觀察 的時 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。 測量 一 連串 的頻 率值 后， 用阿 倫方 程 計算 。相 位噪 音也 同 樣可 以反 映短 穩(wěn)的 情 況 （ 要 有 專用 儀器 測 量 ） 。重現(xiàn) 性：定義 ：晶 振 經(jīng)長 時間 工作 穩(wěn)定 后 關機 ，停 機一 段時 間 t1（ 如 24 小時 ）

20、，開 機一 段時 間 t2（ 如 4 小時 ） ，測得 頻率 f1 ，再停 機同 一段 時間 t1 ， 再開 機同 一段 時 間 t2 ，測 得頻 率 f2 。重 現(xiàn)性 =（f2-f1）/f2。頻率 壓控 范圍：將頻率控 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 率的 最小 峰 值改 變量 。說明：基準 電壓 為 2.5V ，規(guī)定 終點 電壓 為 0.5V 和 4.5V ，壓控 晶體 振蕩器在+ 0.5V頻率控制電壓時頻率改變量為-2ppm ,在+ 4.5V頻率控 制電壓時頻率改變量為+ 2.1ppm ,則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示 為： ± 2p

21、pm（2.5V±2V）,斜 率為正，線性為+2.4%。壓控 頻率 響應 范圍：當調(diào) 制頻 率變 化時，峰值頻偏 與調(diào) 制頻 率 之間 的關系。 通常 用規(guī) 定的 調(diào) 制頻 率比 規(guī)定 的調(diào) 制 基準 頻率 低若 干 dB 表示 。說明：VCXO®率壓控范圍頻率響應為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， 它以百分數(shù)表示整個 范圍頻偏的可 容許 非 線性 度。說明：典 型的VCXO®率 壓控 線性 為：& ± 10% & ± 20%簡 單的VCXO 頻率 壓控 線性

22、計算 方 法為 （ 當頻 率壓 控極 性為 正極 性時 ） ：頻率 壓控 線性=± （fmax - fmin）/ f0）x 100%fmax : VCXOft最大壓控電壓時的輸出頻率 fmin : VCXOft最小壓控電壓時的輸出頻率 f0 ： 壓控 中心 電壓 頻 率單邊帶相位噪聲£：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 可以 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、 上升 / 下降 時間 、驅(qū) 動能 力等 幾個 指

23、標 要 求。隨著 科學 技術 的迅 猛 發(fā)展 ，通 信、雷達 和 高速 數(shù)傳 等類 似系 統(tǒng) 中，需要高質(zhì) 量的 信號 源作 為 日趨 復雜 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 干凈 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 應 存在 的頻 譜成 份（載 波中 的寄 生調(diào) 制）會 導致 所傳 輸?shù)?信號 質(zhì)量 及數(shù) 傳 誤碼 率明 顯變 壞。所 以作 為所 傳輸 信號 的 載體，載 波信 號的 干凈 程度（ 頻譜 純度 ）對 通信 質(zhì) 量有 著直 接的 影響 。對于 正弦 波， 通常 需要 提供 例 如

24、諧 波、 噪聲 和輸 出 功率 等指 標。晶振的分類根據(jù)晶振的功能和實現(xiàn)技術的不同，可以將晶振分為以下四類：1）恒溫晶體振蕩器（以下簡稱OCXO）這類型晶振對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術，將晶體置于恒 溫槽內(nèi)，通過設置恒溫工作點，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 型的通信設備，包括交換機、SDH傳輸設備、移動通信直放機、GPS接 收機、電臺、數(shù)字電視及軍工設備等領域。根據(jù)用戶需要，該類型晶振 可以帶壓控引腳。OCXO勺工作原理如下圖3所示：OCXO勺主要優(yōu)點是，由于采用了恒溫槽技術，頻率溫度特性在所有類型 品振中是最好的

25、，由于電路設計精密，其 短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要 缺點是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時間才能正常工作等。 我公司生產(chǎn)的此類晶振的典型指標如下：款定頻率：10 MHz12 BHHxIDOVHz輸出波形:正弦波/方波正弦波正弦波雜散：優(yōu)于-&O加優(yōu)于優(yōu)于-T5丑m日老化率:d5E-10±?E-9iSET反控范圍：iTE-7均EY溫度穩(wěn)定度；±LE-8i2E-8i5E-&短穩(wěn)：5E-喀lE-lQ/s2）溫度補償晶體振蕩器（以下簡稱TCXO）。其對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了 一些溫度補償手段，主要原理是通過 感應環(huán)境溫度，將溫 度信息做適當變換后控制晶振的輸出頻率，達到穩(wěn) 定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進行補償，隨著補償 技術的發(fā)展，很多數(shù)字化補償大TCXO開始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補償?shù)腡CXO 又叫DTCXQ用單片機進行補償時我們稱之為MCXO由于采用了數(shù)字化 技術，這一類型的晶振再溫度特性上達到了很高的精度，并且 能夠適應 更寬的工作溫度范圍，主要應用于軍工領域和使用環(huán)境惡劣的場合。在廣大研發(fā)人員的共同努力下，我公司自主開發(fā)出了高精度的MCXO其設 計原理和在世界范圍都是領先的，配以高度自動