產(chǎn)品分類

晶振的基本原理及特性

晶振一般采用如圖1a的電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路；實(shí)際的晶振交流等效電路如圖1b，其中Cv是用來調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般用變?nèi)荻�極管加上不同的反偏電壓來實(shí)現(xiàn)，這也是壓控作用的機(jī)理；把晶體的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co，C1，L1，RR是晶體的等效電路。

分析整個振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻率是有限的：決定振蕩頻率的整個槽路電容C=Cbe,Cce,Cv三個電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)。可以看出：C1越小，Co越大，Cv變化時對整個槽路電容的 作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實(shí)際上，由于C1很小(1E-15量級)，Co不能忽略(1E-12量級，幾PF)。所以，Cv變大時，降 低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時，升高槽路頻率的作用卻越來越大。這一方面引起壓控特性的非線性，壓控范圍越大，非線性就越厲害；另一方面，分給振 蕩的反饋電壓(Cbe上的電壓)卻越來越小，最后導(dǎo)致停振。 

采用泛音次數(shù)越高的晶振，其等效電容C1就越小；因此頻率的變化范圍也就越小。

晶振的指標(biāo)

總頻差：在規(guī)定的時間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大偏差。

說明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率老化率造成的偏差、頻率電壓特性和頻率負(fù)載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心，而對其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場合采用。例如：精密制導(dǎo)雷達(dá)。

頻率穩(wěn)定度：任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對的，程度不同而已。一個晶振的輸出頻率隨時間變化的曲線如圖2。圖中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素：老化、飄移和短穩(wěn)。

圖2 晶振輸出頻率隨時間變化的示意圖 

曲線1是用0.1秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4 是用1天一次測量的情況。表現(xiàn)了晶振的老化。

頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。

ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
ftref ＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜，｜(fmin-fref)/fref｜]
ft：頻率溫度穩(wěn)定度(不帶隱含基準(zhǔn)溫度)
ftref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準(zhǔn)溫度)
fmax ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻率
fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率
fref：規(guī)定基準(zhǔn)溫度測得的頻率

說明：采用ftref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標(biāo)的晶體振蕩器,故ftref指標(biāo)的晶體振蕩器售價較高。

開機(jī)特性（頻率穩(wěn)定預(yù)熱時間）：指開機(jī)后一段時間(如5分鐘)的頻率到開機(jī)后另一段時間(如1小時)的頻率的變化率。表示了晶振達(dá)到穩(wěn)定的速度。這指標(biāo)對經(jīng)常開關(guān)的儀器如頻率計(jì)等很有用。

說明：在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振蕩器是長期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要頻繁的開機(jī)和關(guān)機(jī)，這時頻率穩(wěn)定預(yù)熱時間指標(biāo)需要被考慮到（尤其是 對于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺，當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預(yù)熱時間將不少于5分 鐘，而采用MCXO只需要十幾秒鐘)。

頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測量振蕩器頻率時，振蕩器頻率和時間之間的關(guān)系。這種長期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成 的，因此，其頻率偏移的速率叫老化率，可用規(guī)定時限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時后），或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻率變化（如：± 1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））來表示。

晶體老化是因?yàn)樵谏�產(chǎn)晶體的時候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問題。應(yīng)力要經(jīng)過一段時間的變化才能穩(wěn)定，一種叫“應(yīng)力補(bǔ)償”的晶體切割方法（SC切割法）使晶體有較好的特性。

污染物和殘留氣體的分子會沉積在晶體片上或使晶體電極氧化，振蕩頻率越高，所用的晶體片就越薄，這種影響就越厲害。這種影響要經(jīng)過一段較長的時間 才能逐漸穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定隨著溫度或工作狀態(tài)的變化會有反復(fù)——使污染物在晶體表面再度集中或分散。因此，頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時間長的晶 振比工作時間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。

說明：TCXO的頻率老化率為：±0.2ppm～±2ppm（第一年）和±1ppm～±5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率 老化率的指標(biāo)，因?yàn)榧词乖趯?shí)驗(yàn)室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過溫度補(bǔ)償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個指標(biāo)失去了實(shí)際的意義）。 OCXO的頻率老化率為：±0.5ppb～±10ppb/天（加電72小時后），±30ppb～±2ppm（第一年），±0.3ppm～±3ppm（十 年）。

短穩(wěn)：短期穩(wěn)定度，觀察的時間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。

晶振的輸出頻率受到內(nèi)部電路的影響(晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩(wěn)定性、工作狀態(tài)等)而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)定。測量一連串的頻率值后，用阿倫方程計(jì)算。相位噪音也同樣可以反映短穩(wěn)的情況(要有專用儀器測量)。

重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長時間工作穩(wěn)定后關(guān)機(jī)，停機(jī)一段時間t1(如24小時)，開機(jī)一段時間t2(如4小時)，測得頻率f1，再停機(jī)同一段時間t1，再開機(jī)同一段時間t2，測得頻率f2。重現(xiàn)性=(f2-f1)/f2。

頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。

說明：基準(zhǔn)電壓為＋2.5V，規(guī)定終點(diǎn)電壓為＋0.5V和＋4.5V，壓控晶體振蕩器在＋0.5V頻率控制電壓時頻率改變量為-2ppm，在＋ 4.5V頻率控制電壓時頻率改變量為＋2.1ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：≥±2ppm(2.5V±2V)，斜率為正，線性為+ 2.4%。

壓控頻率響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻率變化時，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干dB表示。

說明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應(yīng)為0～10kHz。

頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分?jǐn)?shù)表示整個范圍頻偏的可容許非線性度。

說明：典型的VCXO頻率壓控線性為：≤±10%，≤±20%。簡單的VCXO頻率壓控線性計(jì)算方法為(當(dāng)頻率壓控極性為正極性時)：

頻率壓控線性＝±((fmax-fmin)/ f0)×100%
fmax：VCXO在最大壓控電壓時的輸出頻率
fmin：VCXO在最小壓控電壓時的輸出頻率
f0：壓控中心電壓頻率

單邊帶相位噪聲￡(f)：偏離載波f處，一個相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。

輸出波形：從大類來說，輸出波形可以分為方波和正弦波兩類。

方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上，對方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時間、驅(qū)動能力等幾個指標(biāo)要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信、雷達(dá)和高速數(shù)傳等類似系統(tǒng)中，需要高質(zhì)量的信號源作為日趨復(fù)雜的基帶信息的載波。因?yàn)橐粋�帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載 波信號（不干凈的信號）被載有信息的基帶信號調(diào)制后，這些理想狀態(tài)下不應(yīng)存在的頻譜成份（載波中的寄生調(diào)制）會導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量及數(shù)傳誤碼率明顯變 壞。所以作為所傳輸信號的載體，載波信號的干凈程度（頻譜純度）對通信質(zhì)量有著直接的影響。對于正弦波，通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)。

晶振的分類

根據(jù)晶振的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，可以將晶振分為以下四類：

1) 恒溫晶體振蕩器(以下簡稱OCXO)

這類型晶振對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術(shù)，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影 響，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設(shè)備，包括交換機(jī)、SDH傳輸設(shè)備、移動通信直放機(jī)、GPS接收機(jī)、電臺、數(shù)字電視及軍工設(shè) 備等領(lǐng)域。根據(jù)用戶需要，該類型晶振可以帶壓控引腳。OCXO的工作原理如下圖3所示：

圖3恒溫晶體振蕩器原理框圖

OCXO的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于采用了恒溫槽技術(shù)，頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的，由于電路設(shè)計(jì)精密，其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時間才能正常工作等。我公司生產(chǎn)的此類晶振的典型指標(biāo)如下：

2) 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(以下簡稱TCXO)。

其對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補(bǔ)償手段，主要原理是通過感

應(yīng)環(huán)境溫度，將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的 效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償，隨著補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，很多數(shù)字化補(bǔ)償大TCXO開始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補(bǔ)償?shù)腡CXO又叫DTCXO，用單片 機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時我們稱之為MCXO，由于采用了數(shù)字化技術(shù)，這一類型的晶振再溫度特性上達(dá)到了很高的精度，并且能夠適應(yīng)更寬的工作溫度范圍，主要應(yīng)用于軍工 領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場合。在廣大研發(fā)人員的共同努力下，我公司自主開發(fā)出了高精度的MCXO，其設(shè)計(jì)原理和在世界范圍都是領(lǐng)先的，配以高度自動化的生產(chǎn) 測試系統(tǒng)，其月產(chǎn)可以達(dá)到5000只，其設(shè)計(jì)原理如圖4。

圖4 MCXO數(shù)字溫補(bǔ)晶振原理框圖

這類型晶振的典型的應(yīng)用指標(biāo)如下：

3) 普通晶體振蕩器(SPXO)。這是一種簡單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補(bǔ)償”和“AGC”部分,完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場合。

4) 壓控晶體振蕩器(VCXO)。這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來分類，帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO，以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。 (end) 晶振原理 作者 louguofa 日期 2006-11-28 23:00:00

今天調(diào)電路碰到了一些關(guān)于晶振的問題，又重新翻了一遍晶振的相關(guān)知識：

無源晶體與有源晶振的區(qū)別、應(yīng)用范圍及用法：

1、無源晶體——無源晶體需要用DSP片內(nèi)的振蕩器，在datasheet上有建議的連接 方法。無源晶體沒有電壓的問題，信號電平是可變的，也就是說是根據(jù)起振電路來決定的，同樣的晶體可以適用于多種電壓，可用于多種不同時鐘信號電壓要求的 DSP，而且價格通常也較低，因此對于一般的應(yīng)用如果條件許可建議用晶體，這尤其適合于產(chǎn)品線豐富批量大的生產(chǎn)者。無源晶體相對于晶振而言其缺陷是信號質(zhì)量較差，通常需要精確匹配外圍電路（用于信號匹配的電容、電感、電阻等），更換不同頻率的晶體時周邊配置電路需要做相應(yīng)的調(diào)整。建議采用精度較高的石英晶 體，盡可能不要采用精度低的陶瓷警惕。

2、有源晶振——有源晶振不需要DSP的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單（主要是做好電源濾波，通常使用一個電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可），不需要復(fù)雜的配置電路。有源晶振通常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。相對于無源晶體，有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，靈活性較差，而且價格高。對于 時序要求敏感的應(yīng)用，個人認(rèn)為還是有源的晶振好，因?yàn)榭梢赃x用比較精密的晶振，甚至是高檔的溫度補(bǔ)償晶振。有些DSP內(nèi)部沒有起振電路，只能使用有源的晶 振，如TI 的6000系列等。有源晶振相比于無源晶體通常體積較大，但現(xiàn)在許多有源晶振是表貼的，體積和晶體相當(dāng)，有的甚至比許多晶體還要小。

幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：
1、需要倍頻的DSP需要配置好PLL周邊配置電路，主要是隔離和濾波；
2、20MHz以下的晶體晶振基本上都是基頻的器件，穩(wěn)定度好，20MHz以上的大多是諧波的（如3次諧波、5次諧波等等），穩(wěn)定度差，因此強(qiáng)烈建議使用低頻的器件，畢竟倍頻用的PLL電路需要的周邊配置主要是電容、電阻、電感，其穩(wěn)定度和價格方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于晶體晶振器件；
3、時鐘信號走線長度盡可能短，線寬盡可能大，與其它印制線間距盡可能大，緊靠器件布局布線，必要時可以走內(nèi)層，以及用地線包圍；
4、通過背板從外部引入時鐘信號時有特殊的設(shè)計(jì)要求，需要詳細(xì)參考相關(guān)的資料。

此外還要做一些說明：

總體來說晶振的穩(wěn)定度等方面好于晶體，尤其是精密測量等領(lǐng)域，絕大多數(shù)用的都是高檔的晶振，這樣就可以把各種補(bǔ)償技術(shù)集成在一起，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。試想，如果采用晶體，然后自己設(shè)計(jì)波形整形、抗干擾、溫度補(bǔ)償，那樣的話設(shè)計(jì)的復(fù)雜性將是什么樣的呢？我們這里設(shè)計(jì)射頻電路等對時鐘要求高的場合，就是采用 高精度溫補(bǔ)晶振的，工業(yè)級的要好幾百元一個。

特殊領(lǐng)域的應(yīng)用如果找不到合適的晶振，也就是說設(shè)計(jì)的復(fù)雜性超出了市場上成品晶振水平，就必須自己設(shè)計(jì)了，這種情況下就要選用晶體了，不過這些晶體肯定不是市場上的普通晶體，而是特殊的高端晶體，如紅寶石晶體等等。

更高要求的領(lǐng)域情況更特殊，我們這里在高精度測試時采用的時鐘甚至是原子鐘、銣鐘等設(shè)備提供的，通過專用的射頻接插件連接，是個大型設(shè)備，相當(dāng)笨重。

1、 晶振：即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時鐘振蕩器的統(tǒng)稱。不過由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指鐘振。

2、 分類。首先說一下諧振器。
諧 振器一般分為插件（Dip）和貼片（SMD）。插件中又分為HC-49U、HC-49U/S、音叉型（圓柱）。HC-49U一般稱49U，有些采購俗稱 “高型”，而HC-49U/S一般稱49S，俗稱“矮型”。音叉型按照體積分可分為3*8，2*6，1*5，1*4等等。貼片型是按大小和腳位來分類。例 如7*5（0705）、6*3.5（0603），5*3.2（5032）等等。腳位有4pin和2pin之分。

而振蕩器也是可以分為插件和貼片。 插件的可以按大小和腳位來分。例如所謂全尺寸的，又稱長方形或者14pin，半尺寸的又稱為正方形或者8pin。不過要注意的是，這里的14pin和 8pin都是指振蕩器內(nèi)部核心IC的腳位數(shù)，振蕩器本身是4pin。而從不同的應(yīng)用層面來分，又可分為OSC(普通鐘振)， TCXO（溫度補(bǔ)償），VCXO（壓控），OCXO（恒溫）等等。

3、 基本術(shù)語。我想這也是很多采購?fù)瑢W(xué)比較模糊的地方。這里我選了一些常用的諧振器術(shù)語拿來做一下解釋。
Frequency Tolerance（調(diào)整頻差）：在規(guī)定條件下，在基準(zhǔn)溫度（25±2℃）與標(biāo)稱頻率允許的偏差。一般用PPm（百萬分之）表示。

Frequency Stability(溫度頻差)：指在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，與標(biāo)稱頻率允許的偏差。用PPm表示。

Aging（年老化率）：在規(guī)定條件下，晶體工作頻率隨時間而允許的相對變化。以年為時間單位衡量時稱為年老化率。
Shunt Capacitance（靜電容）：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容，也叫并電容，通常用C0表示。

Load Capacitance（負(fù)載電容）：與晶體一起決定負(fù)載諧振頻率fL的有效外界電容，通常用CL表示。

一般最關(guān)注的參數(shù)有2個，即調(diào)整頻差，負(fù)載電容。有一部分對溫度頻差有要求。如果工作溫度范圍比較廣，則會對工作溫度范圍有所要求，即所謂寬溫。

4、 選用。主要講講諧振器。理論上來說，只要參數(shù)確定，選任何一種型號都是可以正常使用的。例如49U和49S替換，49S和圓柱以及和貼片替換，都是沒有問 題的。但在實(shí)際選擇中會根據(jù)電路特點(diǎn)，成本以及便利性來考量和選擇。一般來說，簡單的應(yīng)用中主要都是從成本在考慮。但是有些產(chǎn)品或者電路會對晶振的等效電阻，激勵功率等等提出要求，所以就會在不同的型號中加以選擇。另外，貼片則主要是為了適應(yīng)產(chǎn)品日益小型化和提高生產(chǎn)效率的要求。聽到有些采購朋友說，只能 選49S而不能用49U或者反之，這是一個小誤區(qū)。呵呵。