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晶振定义

石英晶体振荡器,石英谐振器简称为晶振,它是使用具有压电效应的石英晶体片制成的。

这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会发生机械振动,当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时,振动便变得很强烈,这就是晶体谐振特性的反应。

使用这种特性,就能够用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点,被应用于家用电器和通信设施中。

晶振分类

按大类分为以下4种

1、简单晶体振荡器(XO)

这是最基本的类型,其稳定度完全由晶体谐振器本身的固有特性决议。 在MHz范围内的较高频率晶体由石英棒制成,其制作方式是即使环境温度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之间变化,也可提供相对稳定的频率。即使在这么宽的温度范围内,适当切割的石英晶体也可实现±25ppm的稳定度。与诸如随温度变化可达1%(10,000ppm)或更高的LC振荡电路等其它被动谐振器相较,晶体振荡器的性能已大幅提升了。但对于某些应用来说,即使25ppm也不够好,因此必须采纳额外措施。

2、温度补偿晶体振荡器(TCXO)

如果固有频率与石英晶体的温度稳定度无法满足应用要求,就能够采纳温度补偿单元。TCXO使用温度感测元件以及发生电压曲线的电路,在整个温度范围内,该电压曲线与晶体的频率变化趋势完全相反,所以可理想地抵消晶体的漂移。依据TCXO的类型和温度范围,TCXO的典范稳定度规范范围为小于±0.5ppm至±5ppm。

3、恒温操纵晶体振荡器(OCXO)

对于某些应用,TCXO的频率-温度稳定度指标仍无法满足要求。在这些情况下,可能需要OCXO。顾名思义,具有烤腔的振荡器将晶体加热到更高温度,但仍受操纵,使得环境温度即使变化大,晶体的温度也坚持稳定。由于晶体的温度和振荡器的敏感部份变化很小,频率-环境温度稳定度得到显着改善。在环境温度范围内,OCXO的稳定度能够到达0.001ppm。然而,这种稳定度的提升是以增加功耗为代价的,将热量提供应烤腔当然需要能量。典范的OCXO可能需要1到5W的功率以维持内部温度。在开机后,还需要等候温度和频率稳定的暖机时间,取决于晶体振荡器的类型,暖机时长通常从1分钟到10多分钟。

4、压控晶体振荡器(VCXO)

在一些应用中,期望能够调谐或调整振荡器的频率,以便将其锁相到锁相环(PLL)中的参考,或可能用于调节波形。VCXO透过电子频率操纵(EFC)电压输入,提供了这项功能。对于某些专用元件,VCXO的调谐范围规格可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。

晶振选型

5要素

1、输出频率

任何振荡器最基本的属性都是它生成的频率。依据定义,振荡器是接收输入电压(通常为直流电压)并在某一频率下发生反复交流输出的器件。所需的频率由系统类型和如何使用该振荡器所决议。
一些应用需要kHz范围内的低频晶体。一个常见的例子是32.768 kHz手(钟)表晶体。 但是大多数当前的应用需要更高频率的晶体,范围从小于10MHz到大于100MHz。
2、频率稳定性和温度范围
所需的频率稳定性由系统要求确定。振荡器的稳定性可简单地表述为:由于某些原因引起的频率变化除以中心频率。(即:稳定性=频率变化÷中心频率)

3、输入电压和功率

任何类型的晶振通常都能够被设计为使用系统中已有的DC输入电源电压来操作。 在数字系统中,通常希望使用与振荡器将驱动的系统中的逻辑器件所使用的电压相匹配的电压来驱动晶振,以便逻辑电平是直接兼容的。+3.3V或+5V是这些数字单元的典范输入。具有较高功率输出的其它器件能够使用较高电压,例如+12V或+15V。另一个考虑因素是为器件供电所需的电流量。XO或TCXO可能只需要几mA,因此在低电压系统中,其功耗能够小于0.01W。另一方面,在上电时,一些OCXO能够需要5W或6W。

4、输出波形

然后要选择输出波形以匹配振荡器将在系统中驱动的负载。最常见的输出之一是CMOS——以驱动逻辑电平输入。CMOS输出将是在地电位和系统的Vdd轨之间跳动的方波。对于高于约100MHz的较高频率,通常使用差分方波。这些振荡器具有两个180°异相的输出、具有快速上升和下降时间以及非常小的抖动。最通用的类型是LVPECL和LVDS。如果振荡器用于驱动RF组件、如混频器或其它具有50Ω输入阻抗的器件,则通常会指定某个功率级别的正弦波输出。发生的输出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之间,尽管如果需要能够输出更高功率。

5、封装尺寸和外形

基于振荡器类型和规格,对晶振封装的要求将大相径庭。简单的时钟振荡器和一些TCXO能够装在小到1.2×2.5mm2的封装中;而一些OCXO能够大到50×50mm2,对某些特定设计,甚至可更大。虽然一些通孔封装如双列直插式4或14引脚类型依旧用于较大的部件(如OCXO或专用TCXO),但大多数当前设计使用表贴封装。这些表贴配置能够是密封的陶瓷封装,或基于FR-4的、具有用于I/O的建构的组件。

6、总结

器件选型时一般都要留出一些余量,以保证产品的可靠性。选用较高档的器件能够进一步降低失效概率,带来潜在的效益,这一点在比较产品价钱的时刻也要考虑到。要使振荡器的“整体性能”趋于平均、合理,这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素,这里的成本不仅仅包含器件的价钱,而且包含产品全寿命的使用成本。

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