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目录
基本概述
主要参数
基本分类
工作原理
功能作用
发展趋势
种类详介
1.石英晶体振荡器
2.温度补偿晶体振荡器
3.电压控制晶体振荡器
4.恒温控制晶体振荡器
选用指南
1.频率稳定性的考虑
2.输出
3.封装
4.工作环境
5.检测
6.总结
编辑本段基本概述
晶振全称为晶体振荡器,其作用在于产生原始的时钟频率,这个频率
经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。
以声卡为例,要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样,频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。
如果需要对这两种音频同时支持的话,声卡就需要有两颗晶振。
但是娱乐级声卡为了降低成本,通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz,但是SRC会对音质带来损害,而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。
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,如果给它通电,它就会产生机械振荡,反之,如果给它机械力,它又会产生电,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。
编辑本段主要参数
参数
基本描述
频率准确度
在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(252℃)以及其他条件保持不变,晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差,即(fmax-fmin)/f0;
温度稳定度
其他条件保持不变,在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);
频率调节范围
通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。
调频(压控)特性
包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。
①调频频偏:
压控晶体振荡器控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。
②调频灵敏度:
压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。
③调频线性度:
是一种与理想直线(最小二乘法)相比较的调制系统传输特性的量度。
负载特性
其他条件保持不变,负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。
电压特性
其他条件保持不变,电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。
杂波
输出信号中与主频无谐波(副谐波除外)关系的离散频谱分量与主频的功率比,用dBc表示。
谐波
谐波分量功率Pi与载波功率P0之比,用dBc表示。
频率老化
在规定的环境条件下,由于元件(主要是石英谐振器)老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。
通常用某一时间间隔内的频差来量度。
对于高稳定晶振,由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移,往往用老化率(单位时间内的相对频率变化)来量度。
日波动
指振荡器经过规定的预热时间后,每隔一小时测量一次,连续测量24小时,将测试数据按S=(fmax-fmin)/f0式计算,得到日波动。
开机特性
在规定的预热时间内,振荡器频率值的最大变化,用V=(fmax-fmin)/f0表示。
相位噪声
短期稳定度的频域量度。
用单边带噪声与载波噪声之比&
pound;
(f)表示,&
(f)与噪声起伏的频谱密度Sφ(f)和频率起伏的频谱密度Sy(f)直接相关,由下式表示:
f2S(f)=f02Sy(f)=2f2&
(f)
f—傅立叶频率或偏离载波频率;
f0—载波频率。
编辑本段基本分类
晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。
无源晶振与有
源晶振(谐振)的英文名称不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。
无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来,所以“无源晶振”这个说法并不准确;
有源晶振是一个完整的谐振振荡器。
石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振,而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。
振荡器直接应用于电路中,谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。
振荡器比谐振器多了一个重要技术参数:
谐振电阻(RR),谐振器没有电阻要求。
RR的大小直接影响电路的性能,因此这是各商家竞争的一个重要参数。
编辑本段工作原理
计算机都有个计时电路,尽管一般使用“时钟”这个词来表示这
些设备,但它们实际上并不是通常意义的时钟,把它们称为计时器(timer)可能更恰当一点。
计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体,石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡,这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。
有两个寄存器与每个石英晶体相关联,一个计数器(counter)和一个保持寄存器(holdingregister)。
石英晶体的每次振荡使计数器减1。
当计数器减为0时,产生一个中断,计数器从保持计数器中重新装入初始值。
这种方法使得对一个计时器进行编程,令其每秒产生60次中断(或者以任何其它希望的频率产生中断)成为可能。
每次中断称为一个时钟嘀嗒(clocktick)。
晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振,较高的频率为并联谐振。
由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等
效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。
这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等的并联电容,就可以得到晶振标称的谐振频率。
一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振,再有两个电容分别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容,请注意一般IC的引脚都有等效输入电容,这个不能忽略。
一般的晶振的负载电容为15p或12.5p,如果再考虑元件引脚的等效输入电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。
编辑本段功能作用
晶振在应用具体起到的作用,微控制器的时钟源可以分为两类:
基于机械谐振器件的时钟源,如晶振、陶瓷谐振槽路;
RC(电阻、电容)振荡器。
一种是皮尔斯振荡器配置
,适用于晶振和陶瓷谐振槽路。
另一种为简单的分立RC振荡器。
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,成本也比较低,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。
上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。
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考虑功耗。
分立振荡器的功耗主要由反馈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。
比如,HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。
在4MHz、5V电源下工作时,相当于1.8mA的电源电流。
再加上20pF的晶振负载电容,整个电源电流为2.2mA。
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~60mA。
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,工作在4MHz时只需不到2mA的电流。
在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素:
精度、成本、功耗以及环境需求。
编辑本段发展趋势
1、小型化、薄片化和片式化:
为满足移动电话为代表的便携式产
品轻、薄、短小的要求,石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。
例如TCXO这类器件的体积缩小了30~100倍。
采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm,目前5×
3mm尺寸的器件已经上市。
2、高精度与高稳定度,无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±
25ppm,VCXO的频率稳定度在10~7℃范围内一般可达±
20~100ppm,而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±
0.0001~5ppm,VCXO控制在±
25ppm以下。
3、低噪声,高频化,在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的,相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。
OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。
除VCXO外,其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。
例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器,其频率为650~1700MHz,电源电压2.2~3.3V,工作电流8~10mA。
4、低功能,快速启动,低电压工作,低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。
电源电压一般为3.3V。
许多TCXO和VCXO产品,电流损耗不超过2mA。
石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。
例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO,在±
0.1ppm规定值范围条件下,频率稳定时间小于4ms。
日本东京陶瓷公司生产的SMDTCXO,在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。
OAK公司的10~25MHz的OCXO产品,在预热5分钟后,则能达到±
0.01ppm的稳定度。
编辑本段种类详介
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的
一种谐振器件,它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体的压电效应:
若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。
反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。
注意,这种效应是可逆的。
如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。
它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、电压控制晶体振荡器(VCXO)、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)和数字化/μp补偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。
其中,无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种,在日本工业标准(JIS)中,称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。
现以SPXO为
例,简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。
石英晶体,有天然的也有人造的,是一种重要的压电晶体材料。
石
英晶体本身并非振荡器,它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。
SPXO主要是由品质因数(Q)很高的晶体谐振器(即晶体振子)与反馈式振荡电路组成的。
石英晶体振子是振荡器中的重要元件,晶体的频率(基频或n次谐波频率)及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。
石英晶体谐振器的基本结构、(金属壳)封装及其等效电路。
只要在晶体振子板极上施加交变电压,就会使晶片产生机械变形振动,此现象即所谓逆压电效应。
当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时,就会发生压电谐振,从而导致机械变形的振幅突然增大。
石英晶体振荡器的应用:
1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。
不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路,其频率精度决定了电子钟表的走时精度。
石英晶体振荡器原理的示意如图3所示,其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统,这里石英晶体相当于电感。
振荡系统的元件参数确定了振频率。
一般Q、C1及C2均为外接元件。
另外R1为反馈电阻,R2为振荡的稳定电阻,它们都集成在电路内部。
故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。
但此时仍可用加接一只电容C有方法,来改变振荡系统参数,以调整走时精度。
根据电子钟表走时的快慢,调整电容有两种接法:
若走时偏快,则可在石英晶体两端并接电容C,如图4所示。
此时系统总电容加大,振荡频率变低,走时减慢。
若走时偏慢,则可在晶体支路中串接电容C。
如图5所示。
此时系统的总电容减小,振荡频率变高,走时增快。
只要经过耐心的反复试验,就可以调整走时精度。
因此,晶振可用于时钟信号发生器。
2、随着电视技术的发展,近来彩电多采用500kHz或503kHz的
晶体振荡器作为行、场电路的振荡源,经1/3的分频得到15625Hz的行频,其稳定性和可靠性大为提高。
面且晶振价格便宜,更换容易。
3、在通信系统产品中,石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现,同时也得到了更快的发展。
许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。
温度补偿晶体振荡器
温度补偿晶体振荡器(TCXO)是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。
TCXO中,对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型:
(1)直接补偿型直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路,在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。
在温度变化时,热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化,从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。
该补偿方式电路简单,成本较低,节省印制电路板(PCB)尺寸和空间,适用于小型和低压小电流场合。
但当要求晶体振荡器精度小于±
1pmm时,直接补偿方式并不适宜。
(2)间接补偿型间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。
模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度-电压变换电路,并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上,通过晶体振子串联电容量的变化,对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。
该补偿方式能实现±
0.5ppm的高精度,但在3V以下的低电压情况下受到限制。
数字化间接温度补偿是在模
拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数(A/D)变换器,将模拟量转换成数字量。
该法可实现自动温度补偿,使晶体振荡器频率稳定度非常高,但具体的补偿电路比较复杂,成本也较高,只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。
TCXO发展现状
TCXO在近十几年中得到长足发展,其中在精密TCXO的研究开发与生产方面,日本居领先和主宰地位。
在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20以上,目前的主流产品降至0.4,超小型化的TCXO器件体积仅为0.27。
在30年中,TCXO的体积缩小了50余倍乃至100倍。
日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm,在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90%。
金石(KSS)集团生产的TCXO频率范围为2~80MHz,温度从-10℃到60℃变化时的稳定度为±
1ppm或±
2ppm;
数字式TCXO的频率覆盖范围为0.2~90MHz,频率稳定度为±
0.1ppm(-30℃~+85℃)。
日本东泽通信机生产的TCO-935/937型片式直接温补型TCXO,频率温度特性(点频15.36MHz)为±
1ppm/-20~+70℃,在5V±
5%的电源电压下的频率电压特性为±
0.3ppm,输出正弦波波形(幅值为1VPP),电流损耗不足2mA,体积1,重量仅为1g。
PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装,正弦波或逻辑输出,在-55℃~85℃范围内能达到±
0.25~±
1ppm的精度。
国内的产品水平也较高,如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的TCXO(32~40MHz)在室温下精度优于±
1ppm,第一年的频率老化率为±
1ppm,频率(机械)微调≥±
3ppm,电源功耗≤120mw。
目前高稳定度的TCXO器件,精度可达±
0.05ppm。
高精度、低功耗和小型化,仍然是TCXO的研究课题。
在小型化与片式化方面,面临不少困难,其中主要的有两点:
一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小,温度补偿更加困难;
二是片式封装后在其回流焊接作业中,由于焊接温度远高于TCXO的最大允许温度,会使晶体振子的频率发生变化,若不采限局部散热降温措施,难以将TCXO的频率变化量控制在±
0.5×
10-6以下。
但是,TCXO的技术水平的提高并没进入到极限,创新的内容和潜力仍较大。
温度补偿晶体振荡器
TCXO的应用
石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用,由于TCXO具有较高的频率稳定度,而且体积小,在小电流下能够快速启动,其应用领域重点扩展到移动通信系统。
TCXO作为基准振荡器为发送信道提供频率基准,同时作为接收通道的第一级本机振荡器;
另一只TCXO作为第2级本机振荡器,将其振荡信号输入到第2变频器。
目前移动电话要求的频率稳定度为0.1~2.5ppm(-30~+75℃),但出于成本上的考虑,通常选用的规格为1.5~2.5ppm。
移动电话用12~20MHz的TCXO代表性产品之一是VC-TCXO-201C1,采用直接补偿方式,,由日本金石(KSS)公司生产。
应用:
测试设备
频率范围:
1MHz-160MHz
常用频点:
455.1266.48.1929.2161010.241212.81314.415.3616.3816.38419.4419.6819.82030.7232.76836.86438.8840525077.7680100155.52
外形图:
电压控制晶体振荡器
电压控制晶体振荡器(VCXO),是通过施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。
在典型的VCXO中,通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。
VCXO允许频率控制范围比较宽,实际的牵引度范围约为±
200ppm甚至更大。
如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高,可采用倍频方案。
扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频。
与单一的振荡器相比,这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展。
在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的VCXO代表性产品是日本精工·
爱普生公司生产的VG-2320SC。
这种采用与IC同样塑封的4引脚器件,内装单独开发的专用IC,器件尺寸为12.6mm×
7.6mm×
1.9mm,体积为0.19。
其标准频率为12~20MHz,电源电压为3.0±
0.3V,工作电流不大于2mA,在-20~+75℃范围内的频率稳定度≤±
1.5ppm,频率可变范围是±
20~±
35ppm,启动振荡时间小于4ms。
金石集团生产的VCXO,频率覆盖范围为10~360MHz,频率牵引度从±
60ppm到±
100ppm。
VCXO封装发展趋势是朝SMD方向发展,并且在电源电压方面尽可能采用3.3V。
日本东洋通信机生产的TCO-947系列片式VCXO,早在
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- 晶体振荡器 13