晶振基础知识

1、晶振基础知识晶振一般叫做晶体谐振器，是一种 机电器件，是用电损耗很小的石英晶体 经精密切割磨削并镀上电极焊上引线 做成。这种晶体有一个很重要的特性， 如果给他通电，他就会产生机械振荡， 反之，如果给他机械力，他又会产生电, 这种特性叫机电效应。他们有一个很重 要的特点，其振荡频率与他们的形状， 材料，切割方向等密切相关。由于石英 晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非 常小，其振荡频率也非常稳定，由于控 制几何尺寸可以做到很精密，因此，其 谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应,我们 可以把它等效为一个电磁振荡回路，即 谐振回路。他们的机电效应是机-电-机- 电的不断转换，由电感和电容组成的 谐

2、振回路是电场-磁场的不断转换。在 电路中的应用实际上是把它当作一个 高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶 体的损耗非常小，即Q值非常高，做 振荡器用时，可以产生非常稳定的振 荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和 陡削的带通或带阻曲线。4.2晶振的分类：石英晶振印所谓石英晶体谐振器 和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由 于在消费类电子产品中，谐振器用的更 多，所以一般的概念中把晶振就等同于 谐振器理解了，后者就是通常所指钟 振。石英晶振是一种用于稳定频率和选 择频率的电子元件，已被广泛地使用在 无线 、载波通讯、广播电视、卫星 通讯、数字仪表、钟表等各种电子设备 中。一年的3倍。采用特殊的晶体加工工艺

3、可以改善这种情况，也可以采用调节的 方法解决，比方，可以在控制引脚上施 加电压（即增加电压控制功能）等。与稳定度有关的其他因素还包括 电源电压、负载变化、相位噪声和抖动, 这些指标应该规定出来。对于工业产 品，有时还需要提出振动、冲击方面的 指标,军用品和宇航设备的要求往往更 多，比方压力变化时的容差、受辐射时 的容差,等等。2）输出必须考虑的其它参数是输出类型、 相位噪声、抖动、电压特性、负载特性、 功耗、封装形式,对于工业产品,有时还 要考虑冲击和振动、以及电磁干扰（E MDo晶体振荡器可HCMOS/TTL兼容、A CMOS兼容、ECL和正弦波输出。每种输 出类型都有它的独特波形特性和用途

4、。 应该关注三态或互补输出的要求。对称 性、上升和下降时间以及逻辑电平对某 些应用来说也要作出规定。许多DSP和 通信芯片组往往需要严格的对称性（4 5%至55%）和快速的上升和下降时间（小 于 5ns）o3）相位噪声和抖动在频域测量获得的相位噪声是短 期稳定度的真实量度。它可测量到中心 频率的1Hz之内和通常测量到1MHzo晶体振荡器的相位噪声在远离中 心频率的频率下有所改善。TCXO和0C X0振荡器以及其它利用基波或谐波方 式的晶体振荡器具有最好的相位噪声 h生能。采用锁相环合成器产生输出频率 的振荡器比采用非锁相环技术的振荡 器一般呈现较差的相位噪声性能。抖动与相位噪声相关，但是它在时

5、 域下测量。以微微秒表示的抖动可用有 效值或峰一峰值测出。许多应用，例如 通信网络、无线数据传输、ATM和SON ET要求必须满足严格的拌动指标。需 要密切注意在这些系统中应用的振荡 器的抖动和相位噪声特性。4）电源和负载的影响振荡器的频率稳定性亦受到振荡 器电源电压变动以及振荡器负载变动 的影响。正确选择振荡器可将这些影响 减到最少。设计者应在建议的电源电压 容差和负载下检验振荡器的性能。不能 期望只能额定驱动15pF的振荡器在驱 动50pF时会有好的表现。在超过建议 的电源电压下工作的振荡器亦会呈现 较差的波形和稳定性。对于需要电池供电的器件，一定要 考虑功耗。引入3.3V的产品必然要开

6、发在3. 3V下工作的振荡器。较低的电压允许产品在低功率下 运行。现今大局部市售的外表贴装振荡 器在3. 3V下工作。许多采用传统5V器 件的穿孔式振荡器正在重新设计，以便 3. 3V下工作。5）封装与其它电子元件相似，时钟振荡器 亦采用愈来愈小型的封装。通常，较小 型的器件比拟大型的外表贴装或穿孔 封装器件更昂贵。所以，小型封装往往 要在性能、输出选择和频率选择之间作 出折衷。6）工作环境晶体振荡器实际应用的环境需要 慎重考虑。例如，高强度的振动或冲击 会给振荡器带来问题。除了川能产生 物理损坏,振动或冲击可在某些频率下 引起错误的动作。这些外部感应的扰动 会产生频率跳动、增加噪声份量以及间

7、 歇性振荡器失效。对于要求特殊EMI兼容的应用,EM I是另一个要优先考虑的问题。除了采 用合适的PC母板布局技术，重要的是 选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说，具有较慢上升/下降时 间的振荡器呈现较好的EMI特性。6.4晶振的使用常识与检测基于晶振与陶瓷谐振槽路的振 荡器通常能提供非常高的初始精度和 较低的温度系数。RC振荡器能够快速 启动，本钱也比拟低，但通常在整个温 度和工作电源电压范围内精度较差，会 在标称输出频率的5%至50%范围内变 化。但其性能受环境条件和电路元件选 择的影响。需认真对待振荡器电路的元 件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷 谐振槽路和相应的负载电容必须根据

8、特定的逻辑系列进行优化。具有高Q 值的晶振对放大器的选择并不敏感，但 在过驱动时很容易产生频率漂移（甚至 可能损坏）。影响振荡器工作的环境因 素有：电磁干扰（EMI）、机械震动与 冲击、湿度和温度。这些因素会增大输 出频率的变化，增加不稳定性，并且在 有些情况下，还会造成振荡器停振。上述大局部问题都可以通过使用振 荡器模块防止。这些模块自带振荡器、 提供低阻方波输出，并且能够在一定条 件下保证运行。最常用的两种类型是晶 振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。 晶振模块提供与分立晶振相同的精度。 硅振荡器的精度要比分立RC振荡器 高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽 路相当的精度。选择振荡器时还需要

9、考虑功耗。分 立振荡器的功耗主要由反应放大器的 电源电流以及电路内部的电容值所决 定。CMOS放大器功耗与工作频率成正 比，可以表示为功率耗散电容值。比方, HC04反相器门电路的功率耗散电容值 是90pFo在4MHz、5V电源下工作时， 相当于1.8mA的电源电流。再加上20 pF的晶振负载电容,整个电源电流为2. 2mAo陶瓷谐振槽路一般具有较大的负 载电容，相应地也需要更多的电流。相 比之下，晶振模块一般需要电源电流为 10mA -60mAo硅振荡器的电源电流取 决于其类型与功能，范围可以从低频 （固定）器件的几个微安到可编程器件 的几个毫安。一种低功率的硅振荡器， 如MAX7375,工

10、作在4MHz时只需不 到2mA的电流。对于晶振的检测，通常仅能用示 波器（需要通过电路板给予加电）或频 率计实现。万用表或其它测试仪等是无 法测量的。如果没有条件或没有方法判 断其好坏时，那只能采用代换法了，这 也是行之有效的。晶振常见的故障有：（a）内部漏 电；（b）内部开路；（c）变质频偏；（d） 与其相连的外围电容漏电。从这些故障 看，使用万用表的高阻档和测试仪的VI 曲线功能应能检查出（C）, （D）项的故 障，但这将取决于它的损坏程度。关于石英晶振的分类，首先说一下石英 晶振谐振器。谐振器一般分为插件（D ip）和贴片（SMD）插件中又分为HC-4 9U、HC-49S、HC-49SS

11、、音叉型（柱状 晶振）。HC-49U一般称49U,有些采购 俗称“高型”，而HC-49s一般称49S, 俗称“矮型”,HC-49SS 一般称49SS, 俗称（超矮型，通常是2.5mm封装高 度），音叉型按照体积分可以分为3*9、 3*8、2*6、1*5、1*4 等等。贴片型 是按大小和脚位来分类。例如7*5 （07 05）、6*3.5 （0603）、5*3.2 （5032）等 等。脚位有4pin和2pin之分。而振荡 器也可以分为插件和贴片。插件可以按 大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的， 又称长方形或者14pin,半尺寸的又称 正方形或者8pino不过要注意的是， 这里的14pin和8pin都

12、是指振荡器内 部核心IC的脚位数。振荡器本身是4p in。而从不同的应用层面来分，又可分 为0SC （普通钟振）、TCX0 （温补钟振）、 VCX0 （压控钟振）、0CX0 （恒温钟振） 等等。具体如下：1）恒温晶体振荡器（以下简称0CX0）这类型晶振对温度稳定性的解决方 案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温 槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保 持恒温状态，在一定范围内不受外界温 度影响，到达稳定输出频率的效果。这 类晶振主要用于各种类型的通信设备， 包括交换机、SDH传输设备、移动通信 直放机、GPS接收机、电台、数字电视 及军工设备等领域。根据用户需要，该 类型晶振可以带压控引脚。0CX0的

13、工 作原理如下列图1所示：图i恒温晶体振荡器原理框图OCXO的主要优点是，由于采用了恒温 槽技术，频率温度特性在所有类型晶振 中是最好的，由于电路设计精密，其短 稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗 大、体积大，需要5分钟左右的加热时 间才能正常工作等。2）温度补偿晶体振荡器（以下简称TCX 0）o其对温度稳定性的解决方案采用 了一些温度补偿手段，主要原理是通过 感应环境温度，将温度信息做适当变换 后控制晶振的输出频率，到达稳定输出 频率的效果。传统的TCXO是采用模拟 器件进行补偿，随着补偿技术的开展， 很多数字化补偿大TCXO开始出现，这 种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO,用 单片机进行

14、补偿时我们称之为MCXO, 由于采用了数字化技术，这一类型的晶 振再温度特性上到达了很高的精度，并 且能够适应更宽的工作温度范围，主要 应用于军工领域和使用环境恶劣的场 合。其设计原理如图2。图2 MCXO数字温补晶振原理框图3)普通晶体振荡器(SPXO) o这是一种简 单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工 作原理为图3中去除“压控”、“温度补 偿”和“AGC”局部,完全是由晶体的自 由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定 度要求不高的场合。 MWI * -M. *0图3恒温晶 体振荡器原理框图4)压控晶体振荡器(VCXO)。这是根据 晶振是否带压控功能来分类，带压控输 入引脚的一类晶振叫VCXO,

15、以上三种 类型的晶振都可以带压控端口。图4 MCXO数字温补晶振原理框图4.3晶振的指标总频差：在规定的时间内，由于规 定的工作和非工作参数全部组合而引 起的晶体振荡器频率与给定标称频率 的最大偏差。说明：总频差包括频率温度稳定 度、频率老化率造成的偏差、频率电压 特性和频率负载特性等共同造成的最 大频差。一般只在对短期频率稳定度关 心，而对其他频率稳定度指标不严格要 求的场合采用。例如：精密制导雷达。频率稳定度：任何晶振，频率不稳 定是绝对的，程度不同而己。一个晶振 的输出频率随时间变化的曲线如图2O 图中表现出频率不稳定的三种因素：老 化、飘移和短稳。图2晶振输出频率随时间变化的示意 图曲

16、线1是用0.1秒测量一次的情况，表 现了晶振的短稳；曲线3是用100秒测 量一次的情况，表现了晶振的漂移；曲 线4是用1天一次测量的情况。表现 了晶振的老化。频率温度稳定度：在标称电源和负 载下，工作在规定温度范围内的不带隐 含基准温度或带隐含基准温度的最大 允许频偏。ft二土 (fmax-fmin)/(fmax+fmin)ftref = MAX I (fmax-fref) /fre f I , I (fmin-fref)/fref I ft：频率温度稳定度(不带隐含基准温 度)ftref：频率温度稳定度(带隐含基准温 度)fmax ：规定温度范围内测得的最高频 率fmin：规定温度范围内测得

17、的最低频率fref：规定基准温度测得的频率说明：米用ftref指标的晶体振荡 器其生产难度要高于采用ft指标的晶 体振荡器,故ftref指标的晶体振荡器 售价较高。开机特性(频率稳定预热时间)： 指开机后一段时间(如5分钟)的频率到开机后另一段时间（如1小时）的频 率的变化率。表示了晶振到达稳定的速 度。这指标对经常开关的仪器如频率计 等很有用。说明：在多数应用中，晶体振荡器 是长期加电的，然而在某些应用中晶体 振荡器需要频繁的开机和关机，这时频 率稳定预热时间指标需要被考虑到（尤 其是对于在苛刻环境中使用的军用通 讯电台，当要求频率温度稳定度W0. 3ppm（-4585）,采用 OCXO 作

18、为本 振，频率稳定预热时间将不少于5分 钟，而采用MCXO只需要十几秒钟）。频率老化率：在恒定的环境条件下 测量振荡器频率时，振荡器频率和时间 之间的关系。这种长期频率漂移是由晶 体元件和振荡器电路元件的缓慢变化 造成的，因此，其频率偏移的速率叫老 化率，可用规定时限后的最大变化率 （如lOppb/天，加电72小时后），或 规定的时限内最大的总频率变化（如： Ippm/ （第一年）和 5ppm/ （十年） 来表示。晶体老化是因为在生产晶体的 时候存在应力、污染物、残留气体、结 构工艺缺陷等问题。应力要经过一段时 间的变化才能稳定，一种叫“应力补偿” 的晶体切割方法（SC切割法）使晶体 有较好的

19、特性。污染物和残留气体的分 子会沉积在晶体片上或使晶体电极氧 化，振荡频率越高，所用的晶体片就越 薄，这种影响就越厉害。这种影响要经 过一段较长的时间才能逐渐稳定，而且 这种稳定随着温度或工作状态的变化 会有反复一一使污染物在晶体外表再 度集中或分散。因此，频率低的晶振比 频率高的晶振、工作时间长的晶振比工 作时间短的晶振、连续工作的晶振比断 续工作的晶振的老化率要好。说明：TCXO的频率老化率为：0.2ppm2p pm （第一年）和 lppm5ppm （十年） （除特殊情况，TCXO很少采用每天频 率老化率的指标，因为即使在实验室的 条件下，温度变化引起的频率变化也将 大大超过温度补偿晶体振

20、荡器每天的 频率老化，因此这个指标失去了实际的 意义）。OCXO的频率老化率为：0.5p pb10ppb/天（加电72小时后）, 30ppb + 2ppm （第一年），+0. 3Ppm 3ppm （十年）。短稳：短期稳定度，观察的时间为 1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10 秒。晶振的输出频率受到内部电路的影 响（晶体的Q值、元器件的噪音、电路 的稳定性、工作状态等）而产生频谱很 宽的不稳定。测量一连串的频率值后， 用阿伦方程计算。相位噪音也同样可以 反映短稳的情况（要有专用仪器测量）。 重现性：定义：晶振经长时间工作稳定 后关机，停机一段时间tl （如24小时）， 开机一段时间t2（如4小时），测得频 率埒，再停机同一段时间tl,再开机 同一段时间t2,测得频率f2o重现性二 （f2-fl）/f2o频率压控范围：将频率控制电压从 基准电压调到规定的终点电压，晶体振 荡器频率的最小峰值改变量。说明：基准电压为+ 2.5V,规定终 点电压为+ 0.5V和+ 4.5V,压控晶体 振荡器在+ 0.5V频率控制电压时频率 改变量为-2ppm,在+ 4.5V频率控制电 压时频率改变量为+ 2. Ippm,那么VCXO 电压控制频率压控范围表不为：2 2 ppm （2. 5V2V）,斜率为正，线性为+2.