石英晶體振蕩器,石英晶體振蕩器是什么意思
石英晶體振蕩器,石英晶體振蕩器是什么意思
頻率范圍很寬，頻率穩(wěn)定度在10-4～10-12范圍內(nèi)，經(jīng)校準(zhǔn)一年內(nèi)可保持10-9的準(zhǔn)確度，高質(zhì)量的石英晶體振蕩器，在經(jīng)常校準(zhǔn)時(shí)，頻率準(zhǔn)確可達(dá)10-11.高效能模擬與混合信號(hào)IC廠商Silicon Laboratories(芯科實(shí)驗(yàn)室有限公司)日前推出業(yè)界第一款支持輸出頻率可編程的振蕩器(XO)和壓控振蕩器(VCXO)。Si570/1系列采用公司專利的DSPLL技術(shù)和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，通過(guò)對(duì)I2C接口的操作，一顆器件就能產(chǎn)生10MHz到1.4GHz的任何輸出頻率，同時(shí)將均方根抖動(dòng)幅度減少到0.3ps左右。Si570任意頻率XO和Si571任意頻率VCXO最適合需要彈性頻率源的高效能應(yīng)用，包括下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無(wú)線基站，測(cè)試與測(cè)量裝置、高畫(huà)質(zhì)電視視頻基礎(chǔ)設(shè)施和高速數(shù)據(jù)采集裝置。
硬件設(shè)計(jì)人員過(guò)去必須用多個(gè)固定頻率XO、VCXO或壓控SAW振蕩器(VCSO)，才能開(kāi)發(fā)出復(fù)雜系統(tǒng)所需的可變頻率架構(gòu)，并讓它們以不同頻率操作。但這種方法的成本很高，需要復(fù)雜的模擬鎖相回路(PLL)設(shè)計(jì)和布局，還會(huì)延長(zhǎng)新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的上市時(shí)間。
Si570/1可編程XO和VCXO的彈性振蕩器能產(chǎn)生10MHz到1.4GHz的任何頻率，使得一顆器件就能取代多個(gè)固定頻率振蕩器，不僅簡(jiǎn)化鎖相回路的設(shè)計(jì)與布局，還大幅減少元器件數(shù)目、系統(tǒng)成本和電路板面積。另外，由于Si570/1省下多個(gè)原本可能成為故障點(diǎn)的固定頻率振蕩器，所以系統(tǒng)會(huì)變得更可靠。
Si570/1能通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口設(shè)定操作頻率，這使器件的編程設(shè)定和重新配置變得更簡(jiǎn)單。Si570/1還能不限次數(shù)重新編程，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將同一套時(shí)鐘頻率架構(gòu)重復(fù)用于不同的最終應(yīng)用，這能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和加速上市時(shí)間。
Si570/1采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)和RoHS兼容的5×7毫米表面貼裝封裝，并支持所有常見(jiàn)的輸出信號(hào)格式(LVPECL、LVDS、CMOS和CML)。此系列包含三種不同速度等級(jí)的器件，分別是10MHz-1.4GHz、10-810MHz和10-215MHz。Si570任意頻率石英振蕩器還有±20ppm和±50ppm兩種不同的溫度穩(wěn)定性規(guī)格可供選擇，Si571任意頻率壓控石英振蕩器則包含從±12ppm到±375ppm等多種不同壓控范圍(Absolute Pull Range)的器件，以便設(shè)計(jì)人員彈性選擇最適合其應(yīng)用的器件。Si570/1的操作溫度范圍都是從-40至+85℃。
標(biāo)稱頻率：振蕩器輸出的中心頻率或頻率的標(biāo)稱值。
可選頻率范圍：我們所能提供的某種規(guī)格的振蕩器的可實(shí)現(xiàn)的頻率輸出。
頻率溫度穩(wěn)定度：在指定溫度范圍內(nèi)振蕩器的輸出頻率相對(duì)于25°C時(shí)測(cè)量值的最大允許頻率偏差。
老化：在確定時(shí)間內(nèi)輸出頻率的相對(duì)變化。
輸出：振蕩器輸出的波形及功率。
占空比：反映輸出波形的對(duì)稱性，也就說(shuō)，在一個(gè)周期內(nèi)，高電平與低電平所占比例之比。
上升時(shí)間：方波從低電平轉(zhuǎn)換為高電平的時(shí)間。
下降時(shí)間：方波從高電平轉(zhuǎn)換為低電平的時(shí)間。
諧波：振蕩器在相對(duì)于輸出頻率諧振點(diǎn)處的抑制。
非諧波：振蕩器在相對(duì)于輸出頻率非諧振點(diǎn)處的抑制。
短期頻率穩(wěn)定度：振蕩器在較短時(shí)間內(nèi)輸出頻率的穩(wěn)定性，通常為1秒。
相位噪聲：用于描述振蕩器的短期頻率波動(dòng)，通常定義為載波發(fā)生某一頻率偏移是在1Hz帶寬內(nèi)的單邊帶功率密度，單位為dBc/Hz。
電源電壓：加在振蕩器電源端（Vcc）的能夠使振蕩器正常工作的電壓。
電源電流：流過(guò)振蕩器電源端（Vcc）的總電流。
工作溫度范圍：能夠保證振蕩器輸出頻率及其它各種特性能滿座指標(biāo)要求的溫度范圍。
石英晶體振蕩器特點(diǎn)
?? 在振蕩頻率上，閉合回路的相移為2nπ。
?? 當(dāng)開(kāi)始加電時(shí)，電路中唯一的信號(hào)是噪聲。滿足振蕩相位條件的頻率噪聲分量以增
大的幅度在回路中傳輸，增大的速率由附加分量，即小信號(hào)，回路益增和晶體網(wǎng)絡(luò)
的帶寬決定。
?? 幅度繼續(xù)增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非線性而減小或者由于某
一自動(dòng)電平控制而被減小。
?? 在穩(wěn)定狀態(tài)下，閉合回路的增益為1。
石英晶體振蕩器簡(jiǎn)介
石英諧振器簡(jiǎn)稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)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(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交
變電場(chǎng)的頻率與田英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線
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(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。
石英諧振器按引出電極情況來(lái)分有雙電極型、三電極型和雙對(duì)電極型幾種。圖l為雙電極型石英諧振器的外形，盡管它們的體積有大有小、固有振蕩頻率有高有低，但在電路圖中均用圖1(b)符號(hào)表示。三電極型和雙對(duì)電極型石英諧振器的符號(hào)見(jiàn)圖。2。
石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件，如彩電的色副載波振蕩器、電子鐘表的時(shí)基振蕩器及游戲機(jī)中的時(shí)鐘脈沖振蕩器等，石英晶體成本較高，故在要求不太高的電路中一般采用陶瓷諧振元件。
?
石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。
一、石英晶體振蕩器的基本原理
1、石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)
石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。
2、壓電效應(yīng)
若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。
3、符號(hào)和等效電路
石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖2所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)PF到幾十PF。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來(lái)等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效，它的數(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。
4、諧振頻率
從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即（1）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最小（等于R）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。
根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫(huà)出它的電抗—頻率特性曲線如圖2e所示。可見(jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí)，石英晶體呈容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。
二、石英晶體振蕩器類型特點(diǎn)
石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩（TCXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體損振蕩（DCXO）等。
普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒(méi)有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級(jí)，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。
溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10^(-7)～10^(-6)量級(jí)，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無(wú)線通信設(shè)備等。
恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。
三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)
晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000 MHz以上，也有的沒(méi)有標(biāo)稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達(dá)到一般電器的要求，對(duì)于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級(jí)到10^(-10)量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д瘢虿煌阅艿木д衿鋬r(jià)格不同，要求越高價(jià)格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。
四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢(shì)
1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。
2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無(wú)補(bǔ)償式晶體振蕩器總精度也能達(dá)到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達(dá)±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。
3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個(gè)重要參數(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外，其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過(guò)200MHz。例如用于GSM等移動(dòng)電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為650～1700 MHz，電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。
4、低功能，快速啟動(dòng)，低電壓工作，低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢(shì)。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超過(guò)2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時(shí)間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動(dòng)4ms后則可達(dá)到額定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達(dá)到±0.01 ppm的穩(wěn)定度。
五、石英晶體振蕩器的應(yīng)用
1、石英鐘走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點(diǎn)。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度。石英晶體振蕩器原理的示意如圖3所示，其中V1和V2構(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無(wú)法通過(guò)改變C1或C2的數(shù)值來(lái)調(diào)整走時(shí)精度。但此時(shí)我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法，來(lái)改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時(shí)精度。根據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時(shí)偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C，如圖4所示。此時(shí)系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時(shí)系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時(shí)增快。只要經(jīng)過(guò)耐心的反復(fù)試驗(yàn)，就可以調(diào)整走時(shí)精度。因此，晶振可用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。
2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來(lái)彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場(chǎng)電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價(jià)格便宜，更換容易。
3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取?
非常好我支持^.^
(3) 100%
不好我反對(duì)
(0) 0%
相關(guān)閱讀：
( 發(fā)表人：admin )