IC-TCXO教育资料;水晶谐振器基础-1中文

1、2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製12007.11.26ConfidentialConfidential禁複製22007.11.26ConfidentialConfidential禁複製32007.11.26ConfidentialConfidential禁複製4 所谓水晶水晶二氧化硅（石英）在1000气压、400的环境下育成水晶水晶是我们生活中不可缺少但我们大家却不一定知道的东西。其实，从古代开始水晶一直被称为宝石一样发着光芒的受到尊崇的物质，从1880年开始，法国的居里兄弟首次提出含有水晶压电现象的电子学。水晶具有非常优越的弹性，正确的说是其振动。例

2、如陶瓷有数千ppm的安定性，水晶则可以轻易得到有数百ppm以下的安定性。安定性则由水晶的原石的切割角度决定的，通常按照数秒单位来进行切割的。2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製5所谓压电现象压电逆效应压电效应在水晶上加压力，产生电气现象。反之，在水晶上加电气信号，产生机械弯曲。在水晶根据角度切割后的薄片（水晶素板）上加压力，结晶表面上呈现带静电荷的带电现象；反之，加上静电的水晶素板产生机械弯曲。上述现象叫做压电现象。所以加上交互方向变换的电压，水晶素板则产生振动。这个振动与水晶素板的固有振动（主要由厚度决定）一致时，产生共振。则这个固有振动通过水晶素板、水

3、晶振动子的形成电气回路产生固定频率。2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製6 水晶振动子的温度特性-30-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2024681012141618202224262830-50-40-30-20-100102030405060708090100110Tem p. deg. CFreq. Deviation ppm2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製72007.11.26ConfidentialConfidential禁複製8所谓水晶发振器所谓水晶发振器 简易

4、水晶发振器简易水晶发振器 (SPXO/CLOCK OSC)(SPXO/CLOCK OSC) 电压控制水晶发振器电压控制水晶发振器 (VCXO)(VCXO) 温度补偿水晶发振器温度补偿水晶发振器 (TCXO/VCTCXO)(TCXO/VCTCXO) 恒温槽式水晶发振器恒温槽式水晶发振器 (OCXO/VCOCXO)(OCXO/VCOCXO)2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製9水晶发振器的安定性水晶发振器的安定性2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製10SPXOSPXO简易简易水晶发振器水晶发振器( (S Simpleimp

5、leP PackagedackagedX XtaltalO Oscillator)scillator)OUTOUTVccVccGNDGND水晶水晶振动子振动子2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製11时钟水晶发振器时钟水晶发振器 ( Crystal Clock Oscillator( Crystal Clock Oscillator）温度特性回路概略OUTOUT水晶水晶振动子振动子2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製12电压控制电压控制水晶发振器水晶发振器( (V Voltage oltage C Controlled

6、ontrolled X Xtal tal O Oscillator)scillator)电压控制特性温度特性回路概括VcontOutOutVccVccGNDGND水晶水晶振动子振动子2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製13恒温槽式恒温槽式水晶发振器水晶发振器( (O Oven ven C Controlled ontrolled X Xtal tal O Oscillator)scillator)2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製14概况概况( (T Temperature emperature C Compensa

7、ted ompensated X Xtal tal O Oscillator)scillator)详细在第3章进行说明2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製152007.11.26ConfidentialConfidential禁複製16发振的原理为何？发振的原理为何？振幅最大的位置处返回原理同大人推孩子乘坐的秋千的原理一样。原理同大人推孩子乘坐的秋千的原理一样。到达最大的振幅的位置点时，则反向摆动，反复摇摆。到达最大的振幅的位置点时，则反向摆动，反复摇摆。为什么振荡会越来越小？ 空气阻力导致急剧衰减2007.11.26ConfidentialConfide

8、ntial禁複製17发振发振回路回路E EC CB BZ Z3 3Z Z1 1Z Z2 2E EC CB BZ Z3 3Z Z1 1Z Z2 2XtalXtal的抵抗的抵抗特性特性Xtal的等价回路L1R1C1C02007.11.26ConfidentialConfidential禁複製18水晶水晶发振发振回路回路的的等等效图效图R Re e |-R |-RN N|:|:发振发振停止停止R Re e = |-R = |-RN N|:|:稳定状态稳定状态R Re e |-R |-RN N|:|:发振开始发振开始LReCL-Rn发振回路侧水晶振动子侧C1C2水晶水晶振动子振动子-Rn-Rp详细说明

9、回路损失纯粹的负性抵抗实际抵抗2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製19负性抵抗负性抵抗Rn频率0-Rn=2C1C2C1C2gm=qkTIcq：电荷量1.60210-19k：玻耳兹曼定数1.3810-23T：绝对温度Ic：集电极电流Ic水晶水晶振动子振动子2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製20水晶水晶电流的时间变化电流的时间变化时间振动子电流（）初期电流稳定电流稳定电流稳定电流初期初期电流电流2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製212007.11.26ConfidentialCon

10、fidential禁複製22TCXOTCXO发展历史发展历史 Year Year 3.22.51.0h3.22.51.2h0.01 cc0.01 cc0.01 cc0.01 cc9098859520002.0 cc2.0 cc4.0 cc4.0 cc1.0 cc1.0 cc0.4 cc0.4 cc0.2 cc0.2 cc0.126 cc0.126 cc0.024 cc0.024 ccW/BW/BW/BFC1500 cc1500 cc200 cc200 ccCellular PhoneCellular PhoneDiscreteTCXO0.07 cc0.07 cc202010h18.311.79

11、h18.311.74.5h11.49.64h11.49.62h972h75.21.7h53.21.5h0.126 cc0.126 cc972h0.07 cc0.07 cc751.7h0.027 cc0.027 cc53.21.7h0.024 cc0.024 cc53.21.5h0.012 cc0.012 cc42.51.2hFC01One chip ICTCXOW/BFCWire BondingFlip Chip BondingFC0203 04050.005 cc0.005 cc2.52.01.0h0.003 cc0.003 cc2.01.60.8h60 cc60 ccFCFC70 70 1

12、50 cc150 ccMulti-functionalization the 2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製23概述概述( (T Temperature emperature C Compensated ompensated X Xtal tal O Oscillator)scillator)Xtal 温度特性-30-25-20-15-10-5051015202530-40 -30 -20 -100102030405060708090Tem p. deg. CFreq. Deviation ppmTCXO 温度特性-30-25-20-15-10-50

13、51015202530-40 -30 -20 -100102030405060708090tem p, degCdf/f, PPM2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製242007.11.26ConfidentialConfidential禁複製251) 1) 直接直接型温度型温度补偿补偿方式方式 TCXO( TCXO(模拟模拟方式方式) )发振回路水晶振动子TEMP.补偿后的补偿后的温度温度特性特性( (青青线线) )C/NC/N特性特性比较好比较好2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製26100 B定数 2750K02

14、00400600800100012001400-40-20020406080100temp()抵抗値（）3k B定数 4500k050000100000150000200000-40-20020406080100temp()抵抗値（）100100 B定数2,750k（低温补偿用）3k3k B定数4,500k（高温补偿用）热敏热敏特性特性2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製27小型化、小型化、轻巧化轻巧化温度温度补偿补偿前前2) 2) 间接间接型温度型温度补偿补偿方式方式 模拟模拟 TCXOTCXO温度温度补偿后补偿后TEMP.2007.11.26Confi

15、dentialConfidential禁複製283) 3) 间接间接型温度型温度补偿补偿方式方式 数字数字 TCXOTCXOTEMP.2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製29各各补偿方式的特性总结补偿方式的特性总结 C/N 特性良好 温度补偿精度比间接型稍微差优点优点缺点缺点1.直接型 分离式TCXO种类种类 温度补偿精度良好 小型化 C/N 特性比直接型差2.间接型模拟IC化TCXO3.间接型模拟IC化TCXO 温度补偿精度为高精度 C/N 特性稍差 存在位相飞跃问题 不容易小型化 高精度温度补偿 (1ppm以下) 高频率对应(150MHz) C/N也比

16、较良好 比高端用产品大型 比高端用产品价格高2.间接型模拟高频率TCXO 小型化比较困难2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製302007.11.26ConfidentialConfidential禁複製31TCXO-ICTCXO-IC的元件图的元件图（例）例）3次系数电压发生回路温度感应器MEMORYOffset电压发生回路1st Gain3rd Gain温度温度补偿电压补偿电压XTALXTAL出力缓冲VC Gain2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製32变容二极管（电圧容量变化）间接间接型型方式（方式（ICIC化化T

17、CXO)TCXO)温度感应器输出温度感应器输出电压（V）Temp水晶温度特性补偿后的频率补偿电压发生回路水晶振動子发振回路(想象图)Temp频率次电压温度补偿电圧（）水晶振动子VDDVVVV次电压VCXO特性回路的温度特性2007.11.26ConfidentialConfidential禁複製33温度特性温度特性Xtal 温度特性-30-25-20-15-10-5051015202530-40 -30 -20 -100102030405060708090Tem p. deg. CFreq. Deviation ppmTCXO 温度特性-30-25-20-15-10-5051015202530-40 -30 -20 -100102030405060708090tem p, degCdf/f, PPM振动子的温度特性TCXO的温度特性补偿精度 ：