石英晶體的原理及特性

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(lèi)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。我公司生產(chǎn)的此類(lèi)晶振的典型指標(biāo)如下：

2) 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCXO)。

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(guò)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(kāi)始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補(bǔ)償?shù)腡CXO又叫DTCXO，用單片 機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)我們稱(chēng)之為MCXO，由于采用了數(shù)字化技術(shù)，這一類(lèi)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(kāi)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4 MCXO數(shù)字溫補(bǔ)晶振原理框圖

這類(lèi)型晶振的典型的應(yīng)用指標(biāo)如下：

3) 普通晶體振蕩器(SPXO)。這是一種簡(jiǎn)單的晶體振蕩器，通常稱(chēng)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(lèi)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)。這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來(lái)分類(lèi)，帶壓控輸入引腳的一類(lèi)晶振叫VCXO，以上三種類(lèi)型的晶振都可以帶壓控端口。 (end) 晶振原理 作者 louguofa 日期 2006-11-28 23:00:00

今天調(diào)電路碰到了一些關(guān)于晶振的問(wèn)題，又重新翻了一遍晶振的相關(guān)知識(shí)：

無(wú)源晶體與有源晶振的區(qū)別、應(yīng)用范圍及用法：

1、無(wú)源晶體——無(wú)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(wú)源晶體沒(méi)有電壓的問(wèn)題，信號(hào)電平是可變的，也就是說(shuō)是根據(jù)起振電路來(lái)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(xiàn)豐富批量大的生產(chǎn)者。無(wú)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——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)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個(gè)小阻值的電阻過(guò)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(wú)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)償晶振。有些DSP內(nèi)部沒(méi)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(wú)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(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DSP需要配置好PLL周邊配置電路，主要是隔離和濾波;

2、20MHz以下的晶體晶振基本上都是基頻的器件，穩(wěn)定度好，20MHz以上的大多是諧波的(如3次諧波、5次諧波等等)，穩(wěn)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，其穩(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(xiàn)長(zhǎng)度盡可能短，線(xiàn)寬盡可能大，與其它印制線(xiàn)間距盡可能大，緊靠器件布局布線(xiàn)，必要時(shí)可以走內(nèi)層，以及用地線(xiàn)包圍;

4、通過(guò)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(shuō)明：

總體來(lái)說(shuō)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(huà)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(shuō)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性超出了市場(chǎng)上成品晶振水平，就必須自己設(shè)計(jì)了，這種情況下就要選用晶體了，不過(guò)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、銣鐘等設(shè)備提供的，通過(guò)專(zhuān)用的射頻接插件連接，是個(gè)大型設(shè)備，相當(dāng)笨重。

1、 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(chēng)。不過(guò)由于在消費(fèi)類(lèi)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(lèi)。首先說(shuō)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(chēng)49U，有些采購(gòu)俗稱(chēng) “高型”，而HC-49U/S一般稱(chēng)49S，俗稱(chēng)“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(lái)分類(lèi)。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(lái)分。例如所謂全尺寸的，又稱(chēng)長(zhǎng)方形或者14pin，半尺寸的又稱(chēng)為正方形或者8pin。不過(guò)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(lái)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(yǔ)。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(yǔ)拿來(lái)做一下解釋。

Frequency Tolerance(調(diào)整頻差)：在規(guī)定條件下，在基準(zhǔn)溫度(25±2℃)與標(biāo)稱(chēng)頻率允許的偏差。一般用PPm(百萬(wàn)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(biāo)稱(chēng)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(chēng)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(fù)載電容)：與晶體一起決定負(fù)載諧振頻率fL的有效外界電容，通常用CL表示。

一般最關(guān)注的參數(shù)有2個(gè)，即調(diào)整頻差，負(fù)載電容。有一部分對(duì)溫度頻差有要求。如果工作溫度范圍比較廣，則會(huì)對(duì)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(lái)說(shuō)，只要參數(shù)確定，選任何一種型號(hào)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，都是沒(méi)有問(wèn) 題的。但在實(shí)際選擇中會(huì)根據(jù)電路特點(diǎn)，成本以及便利性來(lái)考量和選擇。一般來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的應(yīng)用中主要都是從成本在考慮。但是有些產(chǎn)品或者電路會(huì)對(duì)晶振的等效電阻，激勵(lì)功率等等提出要求，所以就會(huì)在不同的型號(hào)中加以選擇。另外，貼片則主要是為了適應(yīng)產(chǎn)品日益小型化和提高生產(chǎn)效率的要求。聽(tīng)到有些采購(gòu)朋友說(shuō)，只能 選49S而不能用49U或者反之，這是一個(gè)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(lái)說(shuō)鐘振在精密性以及需要達(dá)到相關(guān)應(yīng)用的要求會(huì)更好。例如手機(jī)，通信機(jī)站，衛(wèi)星等等。