晶振的原理及特性

我们常说的晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电消耗很小的石英晶体经精细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征，假如给他通电，他就会产活力械振荡，反之，假如给他机械力，他又会产生电，这种特征叫机电效应。他们有一个很重要的特色，其振荡频次与他们的形状，资料，切割方向等亲密有关。因为石英晶体化学性能特别稳固，热膨胀系数特别小，其振荡频次也特别稳固，因为控制几何尺寸能够做到很精细，所以，其谐振频次也很正确。依据石英晶体的机电效应，我们能够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・・・.的不停变换，由电感和电容构成的谐振回路是电场-磁场的不停变换。在电路中的应用其实是把它看作一个高Q值的电磁谐振回路。因为石英晶体的消耗特别小，即Q值特别高，做振荡器用时，能够产生特别稳固的振荡，作滤波器用，能够获取特别稳固和陡削的带通或带阻曲线。无源晶体与有源晶振的差别、应用范围及用法：1、 无源晶体 无源晶体需要用 DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连结方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是依据起振电路来决定的，相同的晶体能够合用于多种电压， 可用于多种不一样时钟信号电压要求的DSP，并且价钱往常也较低，所以关于一般的应用假如条件同意建议用晶体，这特别适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体有关于晶振而言其缺点是信号质量较差，往常需要精准般配外头电路（用于信号般配的电容、电感、电阻等），改换不一样频次的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。 建议采纳精度较高的石英晶体，尽可能不要采纳精度低的陶瓷警惕。2、 有源晶振一一有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳固，并且连结方式相对简单（主假如做好电源滤波，往常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。有源晶振往常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。有关于无源晶体，有源晶振的缺点是其信号电平是固定的，需要选择好适合输出电平，灵巧性较差，并且价钱高。关于时序要求敏感的应用，个人以为仍是有源的晶振好，因为能够采纳比较精细的晶振，甚至是高档的温度赔偿晶振。有些DSP内部没有起振电路，只好使用有源的晶振，如TI的6000系列等。有源晶振对比于无源晶体往常体积较大，但此刻很多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比很多晶体还要小。几点注意事项：1、 需要倍频的DSP需要配置好PLL周边配置电路，主假如隔绝和滤波；2、 20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳固度好，20MHz以上的大多是谐波的（如3次谐波、5次谐波等等），稳固度差，所以激烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主假如电容、电阻、电感，其稳固度和价钱方面远远好于晶体晶振器件；3、 时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，与其余印制线间距尽可能大，紧靠器件布局布线，必需时能够走内层，以及用地线包围；4、 经过背板从外面引入时钟信号时有特别的设计要求，需要详尽参照有关的资料。别的还要做一些说明：整体来说晶振的稳固度等方面好于晶体， 特别是精细丈量等领域，绝大部分用的都是高档的晶振，这样就能够把各样赔偿技术集成在一同，减少了设计的复杂性。试想，假如采纳晶体，而后自己设计波形整形、抗扰乱、温度赔偿，那样的话设计的复杂性将是什么样的呢？我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场合，就是采纳高精度温补晶振的，工业级的要好几百元一个。特别领域的应用假如找不到适合的晶振，也就是说设计的复杂性高出了市场上成品晶振水平，就一定自己设计了，这种状况下就要采纳晶体了，可是这些晶体必定不是市场上的一般晶体，而是特别的高端晶体，如红宝石晶体等等。更高要求的领域状况更特别，我们这里在高精度测试时采纳的时钟甚至是原子钟、铷钟等设施供给的，经过专用的射频接插件连结，是个大型设施，相当粗笨。、晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。可是因为在花费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的观点中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是往常所指钟振。2、 分类。第一说一下谐振器。谐振器一般分为插件（Dip）和贴片（SMD）。插件中又分为HC-49U、HC-49U/S、音叉型（圆柱）。HC-49U一般称49U，有些采买俗称“高型”，而HC-49U/S一般称49S，俗称“矮型”。音叉型依据体积分可分为3*8,2*6，1*5，1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。比如7*5（0705）、（0603），5032）等等。脚位有4pin和2pin之分。而振荡器也是能够分为插件和贴片。插件的能够按大小和脚位来分。比如所谓全尺寸的，又称长方形或许14pin，半尺寸的又称为正方形或许8pin。可是要注意的是,这里的14pin和8pin都是指振荡器内部中心IC的脚位数，振荡器自己是4pin。而从不一样的应用层面来分，又可分为OSC（一般钟振），TCXO（温度赔偿），VCXO（压控），OCXO（恒温）等等。3、 基本术语。我想这也是好多采买同学比较模糊的地方。这里我选了一些常用的谐振器术语拿来做一下解说。FrequencyTolerance（调整频差）：在规定条件下，在基准温度（25±2°C）与标称频次同意的误差。一般用PPm（百万分之）表示。FrequencyStability（温度频差）：指在规定的工作温度范围内，与标称频次同意的误差。用PPm表示。Aging（年迈化率）：在规定条件下，晶体工作频次随时间而同意的相对变化。以年为时间单位权衡时称为年迈化率。ShuntCapacitance（静电容）：等效电路中与串连臂并接的电容，也叫并电容，往常用C0表示。LoadCapacitance（负载电容）：与晶体一同决定负载谐振频次fL的有效外界电容,往常用CL表示。一般最关注的参数有2个，即调整频差，负载电容。有一部分对温度频差有要求。假如工作温度范围比较广，则会对工作温度范围有所要求，即所谓宽温。4、 采纳。主要讲讲谐振器。理论上来说，只需参数确立，选任何一种型号都是能够正常使用的。比如49U和49S替代，49S和圆柱以及和贴片替代，都是没有问题的。但在实质选择中会依据电路特色，成本以及便利性来考量和选择。一般来说，简单的应用中主要都是从成本在考虑。可是有些产品或许电路会对晶振的等效电阻，激励功率等等提出要求，所以就会在不一样的型号中加以选择。此外，

贴片则主假如为了适应产品日趋小型化和提升生产效率的要求。听到有些采买朋友说，只好选49S而不可以用49U或许反之，这是一个小误区。呵呵。而钟振的选择则主要决定产品电路的特征的要求，一般来说钟振在精细性以及需要达到有关应用的要求会更好。比如手机，通信机站，卫星等等。谐振器和钟振他们的却别在于谐振器是最简单的没有任何赔偿的振荡器，而我们往常说的钟振是由一个谐振器加上ic构成一个回路而实现其自己的功能。以vcxo为例：压控晶体振荡器（VCXO）是经过红外加控制电压使振荡效率可变或是能够调制的石英晶体振荡器。VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路构成，其工作原理是经过控制电压来改变变容二极管的电容，进而“牵引”石英谐振器的频次，以达到频次调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频次负反应调制的目的。晶振原理晶振一般采纳如图1a的电容三端式（考毕兹）沟通等效振荡电路；实质的晶振沟通等效电路如图1b，此中Cv是用来调理振荡频次，一般用变容二极管加上不一样的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理;把晶体的等效电路取代晶体后如图1c。此中Co,C1，L1，RR是晶体的等效电路。决定振荡频次的整个槽路电^C=Cbe,Cce,Cv三剖析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频次是有限的:个电容串连后和Co并联再和C1串连如能够看.出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。因此能“压控”的频次范围也越小。实质上，因为C1很小（1E-15量级），Co不可以忽视（1E-12量级，几PF）。所以，Cv变大时，降低槽路频次的作用愈来愈小，Cv变小时，高升槽路频次的作用却愈来愈大。这一方面惹起压控特征的北线性，压控范围越大，北线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反应电压决定振荡频次的整个槽路电^C=Cbe,Cce,Cv三采纳泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；所以频次的变化范围也就越小。晶振的指标总频差：在规定的时间内，因为规定的工作和非工作参数所有组合而惹起的晶体振荡器频次与给定标称频次的最大误差。说明：总频差包含频次温度稳固度、频次老化率造成的误差、频次电压特征和频次负载特征等共同造成的最大频差。一般只在对短期频次稳固度关怀，而对其余频次稳固度指标不严格要求的场合采纳。比如:精细制导雷达。频次稳固度：任何晶振，频次不稳固是绝对的，程度不一样而已。一个晶振的输出频次随时间变化的曲线如图2。图中表现出频次不稳固的三种要素：老化、飘移和短稳。图2晶振输出频次随时间变化的表示图曲线1是用秒丈量一次的状况，表现了晶振的短稳；曲线3是用100秒丈量一次的状况，表现了晶振的漂移；曲线4是用1天一次丈量的状况。表现了晶振的老化。频次温度稳固度：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同意频偏。 ft=±（fmax-fmin）/（fmax+fmin）ftref=±MAX[|（fmax-fref）/fref|,|（fmin-fref）/frefft：频次温度稳固度（不带隐含基准温度）ftref :频次温度稳固度（带隐含基准温度）fmax:规定温度范围内测得的最高频次fmin:规定温度范围内测得的最低频次fref:规定基准温度测得的频次说明：米纳ftref晶体振荡器指标的晶体振荡器其生产难度要高于采纳 f指标的故 ftref指标的晶体振荡器售价较高。 t开机特征（频次稳固预热时间）：指开机后一段时间（如5分钟）的频次到开机后另一段时间（如1小时）的频次的变化率。表示了晶振达到稳固的速度。这指标对常常开关的仪器如频次计等很实用。说明：在多半应用中，晶体振荡器是长久加电的，但是在某些应用中晶体振荡器需要屡次的开机和关机，这时频次稳固预热时间指标需要被考虑到（特别是关于在苛刻环境中使用的军用通信电台，当要求频次温度稳固度W±0.3ppm（-45°C〜85°C）,采纳OCXO作为本振，频次稳固预热时间将许多于5分钟，而采纳MCXO只需要十几秒钟）。频次老化率：在恒定的环境条件下丈量振荡器频次时，振荡器频次和时间之间的关系。这种长久频次漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的迟缓变化造成的，所以，其频次偏移的速率叫老化率，可用规准时限后的最大变化率（如±10ppb/天，加电72小时后），或规定的时限内最大的总频次变化（如：±1ppm/（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、构造工艺缺点等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳固，一种叫“应力赔偿”的晶体切割方法（SC切割法）使晶体有较好的特征。污染物和残留气体的分子会堆积在晶体片上或使晶体电极氧化，振荡频次越高，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渐渐稳固，并且这种稳固跟着温度或工作状态的变化会有频频一一使污染物在晶体表面再度集中或分别。所以，频次低的晶振比频次高的晶振、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的频次老化率为：土〜±2ppm（第一年）和±1ppm〜±5ppm（十年）（除特别状况，TCXO极少采纳每日频次老化率的指标，因为即便在实验室的条件下，温度变化惹起的频次变化也将大大超出温度赔偿晶体振荡器每日的频次老化，所以这个指标失掉了实质的意义）。OCXO的频次老化率为：土〜±10ppb/天（加电72小时后），±30ppb〜±2ppm（第一年），土〜±3ppm（十年）。短稳：短期稳固度，察看的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、秒。晶振的输出频次遇到内部电路的影响（晶体的Q值、元器件的噪音、电路的稳固性、工作状态等）而产生频谱很宽的不稳固。丈量一连串的频次值后，用阿伦方程计算。相位噪音也相同能够反应短稳的状况（要有专用仪器丈量）。重现性：定义：晶振经长时间工作稳固后关机，停机一段时间t1（如24小时），开机一段时间t2（如4小时），测得频次f1，再停机同一段时间tl,再开机同一段时间t2,测得频次f2。重现性=（f2-f1）/f2频次压控范围：将频次控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频次的最小峰值改变量。说明：基准电压为+,规定终点电压为+和+,压控晶体振荡器在+频次控制电压时频次改变量为-2ppm,在+频次控制电压时频次改变量为+,则VCXO电压控制频次压控范围表示为：N±±2V）,斜 率为正，线性为+2.4%。压控频次响应范围：当调制频次变化时，峰值频偏与调制频次之间的关系。往常用规定的调制频次比规定的调制基准频次低若干dB表示。说明：VCXO频次压控范围频次响应为0〜10kHz。频次压控线性：与理想（直线）函数对比的输出频次-输入控制电压传输特征的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可允许非线性度。说明：典型的VCXO频次压控线性为：W±10%,W±20%。简单的VCXO频次压控线性计算方法为（当频次压控极性为正极性时）:频次压控线性=±（（fmax-fmin）/f0）X100%fmax：VCXO在最大压控电压时的输出频次fmin：VCXO在最小压控电压时的输出频次f0：压控中心电压频次单边带相位噪声£（f）：偏离载波f处，一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。输出波形：从大类来说，输出波形能够分为方波和正弦波两类。方波主要用于数字通信系统时钟上，对方波主要有输出电平、占空比、上涨/降落时间、驱动能力等几个指标要求。跟着科学技术的迅猛发展，通信、雷达和高速数传等近似系统中，需要高质量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。因为一个带有寄生调幅及调相的载波信号（不洁净的信号）被载有信息的基带信号调制后，这些理想状态下不该存在的频谱成份（载波中的寄生调制）会以致所传输的信号质量及数传误码率显然变坏。所以作为所传输信号的载体，载波信号的洁净程度（频谱纯度）对通信质量有着直接的影响。关于正弦波，往常需要供给比如谐波、噪声和输出功率等指标。晶振的分类依据晶振的功能和实现技术的不一样，能够将晶振分为以下四类：恒温晶体振荡器（以下简称OCXO）这种类晶振对温度稳固性的解决方案采纳了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，经过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在必定范围内不受外界温度影响，达到稳固输出频次的成效。这种晶振主要用于各样种类的通信设施，包含互换机、SDH传输设施、挪动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设施等领域。依据用户需要，该种类晶振能够带压控引脚。OCXO的工作原理以下列图3所示：J电压变换一.震荡▲逸舰®大I.酸昭辅由IOCXO的主要长处是，因为采纳了恒温槽技术，频次温度特征在所有种类晶振中是最好的，因为电路设计精细，冥短稳和相位噪声都较好：主要弊端是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。我企业生产的此类晶振的典型指标以下：颌定频率T10MHz12.BMH;LOOMH2输出波形:正苑波/方波正琵波正茏波杂散；忧于-80dim忧于位于・TSdI日走化率：±5E-10压控范国TiTE-742E-6与E・6温度稳定度：±lE-8=SE-0短稽；lE-ll/slE-lO/s温度赔偿晶体振荡器（以下简称TCXO）o其对温度稳固性的解决方案采纳了一些温度赔偿手段，主要原理是经过感觉环境温度，将温度信息做适合变换后控制晶振的输出频次，达到稳固输出频次的成效。传统的TCXO是采纳模拟器件进行赔偿，跟着赔偿技术的发展，好多半字化赔偿大TCXO开始出现，这种数字化赔偿的TCXO又叫DTCXO,用单片机进行赔偿时我们称之为MCXO，因为采纳了数字化技术，这一种类的晶振再温度特征上达到了很高的精度，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。在广大研发人员的共同努力下，我企业自主开发出了高精度的MCXO，其设计原理和在世界范围都是当先的，配以高度自动化的生产测试系统，其月产能够达到5000只，其设计原理如图4。4MCXO数字