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晶振定義

石英晶體振蕩器,石英諧振器簡(jiǎn)稱(chēng)為晶振,它是利用具有壓電效應的石英晶體片制成的。

這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì )產(chǎn)生機械振動(dòng),當交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí),振動(dòng)便變得很強烈,這就是晶體諧振特性的反應。

利用這種特性,就可以用石英諧振器取代LC(線(xiàn)圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩定度高等優(yōu)點(diǎn),被應用于家用電器和通信設備中。

晶振分類(lèi)

按大類(lèi)分為以下4種

1、簡(jiǎn)單晶體振蕩器(XO)

這是最基本的類(lèi)型,其穩定度完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 在MHz范圍內的較高頻率晶體由石英棒制成,其制造方式是即使環(huán)境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化,也可提供相對穩定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內,適當切割的石英晶體也可實(shí)現±25ppm的穩定度。與諸如隨溫度變化可達1%(10,000ppm)或更高的LC振蕩電路等其它被動(dòng)諧振器相較,晶體振蕩器的性能已大幅提升了。但對于某些應用來(lái)說(shuō),即使25ppm也不夠好,因此必須采用額外措施。

2、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)

如果固有頻率與石英晶體的溫度穩定度無(wú)法滿(mǎn)足應用要求,就可以采用溫度補償單元。TCXO使用溫度感測元件以及產(chǎn)生電壓曲線(xiàn)的電路,在整個(gè)溫度范圍內,該電壓曲線(xiàn)與晶體的頻率變化趨勢完全相反,所以可理想地抵消晶體的漂移。根據TCXO的類(lèi)型和溫度范圍,TCXO的典型穩定度規范范圍為小于±0.5ppm至±5ppm。

3、恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)

對于某些應用,TCXO的頻率-溫度穩定度指標仍無(wú)法滿(mǎn)足要求。在這些情況下,可能需要OCXO。顧名思義,具有烤腔的振蕩器將晶體加熱到更高溫度,但仍受控制,使得環(huán)境溫度即使變化大,晶體的溫度也保持穩定。由于晶體的溫度和振蕩器的敏感部份變化很小,頻率-環(huán)境溫度穩定度得到顯著(zhù)改善。在環(huán)境溫度范圍內,OCXO的穩定度可以達到0.001ppm。然而,這種穩定度的提升是以增加功耗為代價(jià)的,將熱量提供給烤腔當然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率以維持內部溫度。在開(kāi)機后,還需要等待溫度和頻率穩定的暖機時(shí)間,取決于晶體振蕩器的類(lèi)型,暖機時(shí)長(cháng)通常從1分鐘到10多分鐘。

4、壓控晶體振蕩器(VCXO)

在一些應用中,期望能夠調諧或調整振蕩器的頻率,以便將其鎖相到鎖相環(huán)(PLL)中的參考,或可能用于調節波形。VCXO透過(guò)電子頻率控制(EFC)電壓輸入,提供了這項功能。對于某些專(zhuān)用元件,VCXO的調諧范圍規格可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。

晶振選型

5要素

1、輸出頻率

任何振蕩器最基本的屬性都是它生成的頻率。根據定義,振蕩器是接受輸入電壓(通常為直流電壓)并在某一頻率下產(chǎn)生重復交流輸出的器件。所需的頻率由系統類(lèi)型和如何使用該振蕩器所決定。
一些應用需要kHz范圍內的低頻晶體。一個(gè)常見(jiàn)的例子是32.768 kHz手(鐘)表晶體。 但是大多數當前的應用需要更高頻率的晶體,范圍從小于10MHz到大于100MHz。
2、頻率穩定性和溫度范圍
所需的頻率穩定性由系統要求確定。振蕩器的穩定性可簡(jiǎn)單地表述為:由于某些原因引起的頻率變化除以中心頻率。(即:穩定性=頻率變化÷中心頻率)

3、輸入電壓和功率

任何類(lèi)型的晶振通常都可以被設計為利用系統中已有的DC輸入電源電壓來(lái)操作。 在數字系統中,通常希望使用與振蕩器將驅動(dòng)的系統中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來(lái)驅動(dòng)晶振,以便邏輯電平是直接兼容的。+3.3V或+5V是這些數字單元的典型輸入。具有較高功率輸出的其它器件可以使用較高電壓,例如+12V或+15V。另一個(gè)考慮因素是為器件供電所需的電流量。XO或TCXO可能只需要幾mA,因此在低電壓系統中,其功耗可以小于0.01W。另一方面,在上電時(shí),一些OCXO可以需要5W或6W。

4、輸出波形

然后要選擇輸出波形以匹配振蕩器將在系統中驅動(dòng)的負載。最常見(jiàn)的輸出之一是CMOS——以驅動(dòng)邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和系統的Vdd軌之間擺動(dòng)的方波。對于高于約100MHz的較高頻率,通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個(gè)180°異相的輸出、具有快速上升和下降時(shí)間以及非常小的抖動(dòng)。最通用的類(lèi)型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用于驅動(dòng)RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件,則通常會(huì )指定某個(gè)功率級別的正弦波輸出。產(chǎn)生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之間,盡管如果需要可以輸出更高功率。

5、封裝尺寸和外形

基于振蕩器類(lèi)型和規格,對晶振封裝的要求將大相徑庭。簡(jiǎn)單的時(shí)鐘振蕩器和一些TCXO可以裝在小到1.2×2.5mm2的封裝中;而一些OCXO可以大到50×50mm2,對某些特定設計,甚至可更大。雖然一些通孔封裝如雙列直插式4或14引腳類(lèi)型仍然用于較大的部件(如OCXO或專(zhuān)用TCXO),但大多數當前設計使用表貼封裝。這些表貼配置可以是密封的陶瓷封裝,或基于FR-4的、具有用于I/O的建構的組件。

6、總結

器件選型時(shí)一般都要留出一些余量,以保證產(chǎn)品的可靠性。選用較高檔的器件可以進(jìn)一步降低失效概率,帶來(lái)潛在的效益,這一點(diǎn)在比較產(chǎn)品價(jià)格的時(shí)候也要考慮到。要使振蕩器的“整體性能”趨于平衡、合理,這就需要權衡諸如穩定度、工作溫度范圍、晶體老化效應、相位噪聲、成本等多方面因素,這里的成本不僅僅包含器件的價(jià)格,而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。

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