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，頻率穩定度在10-4～10-12范圍內，經校準一年內可保持10-9的準確度，高質量的石英晶體振蕩器，在經常校準時，頻率準確可達10-11.高效能模擬與混合信號IC廠商Silicon Laboratories(芯科實驗室有限公司)日前推出業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技術和業界標準的I2C接口，通過對I2C接口的操作，一顆器件就能產生10MHz到1.4GHz的任何輸出頻率，同時將均方根抖動幅度減少到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用，包括下一代網絡設備、無線基站，測試與測量裝置、高畫質電視視頻基礎設施和高速數據采集裝置。
硬件設計人員過去必須用多個固定頻率XO、VCXO或壓控SAW振蕩器(VCSO)，才能開發出復雜系統所需的可變頻率架構，并讓它們以不同頻率操作。但這種方法的成本很高，需要復雜的模擬鎖相回路(PLL)設計和布局，還會延長新開發產品的上市時間。
Si570/1可編程XO和VCXO的彈性振蕩器能產生10MHz到1.4GHz的任何頻率，使得一顆器件就能取代多個固定頻率振蕩器，不僅簡化鎖相回路的設計與布局，還大幅減少元器件數目、系統成本和電路板面積。另外，由于Si570/1省下多個原本可能成為故障點的固定頻率振蕩器，所以系統會變得更可靠。
Si570/1能通過業界標準的I2C接口設定操作頻率，這使器件的編程設定和重新配置變得更簡單。Si570/1還能不限次數重新編程，讓系統設計人員將同一套時鐘頻率架構重復用于不同的最終應用，這能簡化設計和加速上市時間。
Si570/1采用業界標準和RoHS兼容的5×7毫米表面貼裝封裝，并支持所有常見的輸出信號格式(LVPECL、LVDS、CMOS和CML)。此系列包含三種不同速度等級的器件，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兩種不同的溫度穩定性規格可供選擇，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，以便設計人員彈性選擇最適合其應用的器件。Si570/1的操作溫度范圍都是從-40至+85℃。
標稱頻率：振蕩器輸出的中心頻率或頻率的標稱值。
可選頻率范圍：我們所能提供的某種規格的振蕩器的可實現的頻率輸出。
頻率溫度穩定度：在指定溫度范圍內振蕩器的輸出頻率相對于25°C時測量值的最大允許頻率偏差。
老化：在確定時間內輸出頻率的相對變化。
輸出：振蕩器輸出的波形及功率。
占空比：反映輸出波形的對稱性，也就說，在一個周期內，高電平與低電平所占比例之比。
上升時間：方波從低電平轉換為高電平的時間。
下降時間：方波從高電平轉換為低電平的時間。
諧波：振蕩器在相對于輸出頻率諧振點處的抑制。
非諧波：振蕩器在相對于輸出頻率非諧振點處的抑制。
短期頻率穩定度：振蕩器在較短時間內輸出頻率的穩定性，通常為1秒。
相位噪聲：用于描述振蕩器的短期頻率波動，通常定義為載波發生某一頻率偏移是在1Hz帶寬內的單邊帶功率密度，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要求的溫度范圍。
石英晶體振蕩器特點
?? 在振蕩頻率上，閉合回路的相移為2nπ。
?? 當開始加電時，電路中唯一的信號是噪聲。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，回路益增和晶體網絡
的帶寬決定。
?? 幅度繼續增大，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
一自動電平控制而被減小。
?? 在穩定狀態下，閉合回路的增益為1。
石英晶體振蕩器簡介
石英諧振器簡稱為晶振，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的作用時會產生機械振動，當交
變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，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
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、頻率穩定度高等優點，被應用于家用電器和通信設備中。
石英諧振器按引出電極情況來分有雙電極型、三電極型和雙對電極型幾種。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)符號表示。三電極型和雙對電極型石英諧振器的符號見圖。2。
石英諧振器因具有極高的頻率穩定性，故主要用在要求頻率十分穩定的振蕩電路中作諧振元件，如彩電的色副載波振蕩器、電子鐘表的時基振蕩器及游戲機中的時鐘脈沖振蕩器等，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。
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石英晶體振蕩器是高精度和高穩定度的振蕩器，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統中用于頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。
一、石英晶體振蕩器的基本原理
1、石英晶體振蕩器的結構
石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結晶體）的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產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構示意圖。
2、壓電效應
若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。
3、符號和等效電路
石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2所示。當晶體不振動時，可把它看成一個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，一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質因數Q很大，可達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，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，它有兩個諧振頻率，即（1）當L、C、R支路發生串聯諧振時，它的等效阻抗最小（等于R）。串聯揩振頻率用fs表示，石英晶體對于串聯揩振頻率fs呈純阻性，（2）當頻率高于fs時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發生并聯諧振，其并聯頻率用fd表示。
根據石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線如圖2e所示?？梢姰旑l率低于串聯諧振頻率fs或者頻率高于并聯揩振頻率fd時，石英晶體呈容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內，石英晶體呈感性。
二、石英晶體振蕩器類型特點
石英晶體振蕩器是由品質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、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會（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），溫度補償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發展中的還有數字補償式晶體損振蕩（DCXO）等。
普通晶體振蕩器（SPXO）可產生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1—100MHZ，頻率穩定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。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，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩定度是±50ppm。通常用于鎖相環路。封裝尺寸14×10×3mm。
溫度補償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩定度為±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、雙向無線通信設備等。
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，以消除環境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩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
晶振的主要參數有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩定度等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內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。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩定度：由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求，對于高檔設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩定度從±1到±100ppm不等。這要根據具體的設備需要而選擇合適的晶振，如通信網絡，無線數據傳輸等系統就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數決定了晶振的品質和性能。在實際應用中要根據具體要求選擇適當的晶振，因不同性能的晶振其價格不同，要求越高價格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。
四、石英晶體振蕩器的發展趨勢
1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動電話為代表的便攜式產品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉變。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尺寸的器件已經上市。
2、高精度與高穩定度，目前無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm，VCXO的頻率穩定度在10～7℃范圍內一般可達±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內頻率穩定度一般為±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重要參數。目前OCXO主流產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200MHz。例如用于GSM等移動電話的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，低電壓工作，低電平驅動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產品，電流損耗不超過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術也取得突破性進展。例如日本精工生產的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規定值范圍條件下，頻率穩定時間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產的SMD TCXO，在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO產品，在預熱5分鐘后，則能達到±0.01 ppm的穩定度。
五、石英晶體振蕩器的應用
1、石英鐘走時準、耗電省、經久耐用為其最大優點。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構成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調電容C2構成振蕩系統，這里石英晶體相當于電感。振蕩系統的元件參數確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩定電阻，它們都集成在電路內部。故無法通過改變C1或C2的數值來調整走時精度。但此時我們仍可用加接一只電容C有方法，來改變振蕩系統參數，以調整走時精度。根據電子鐘表走時的快慢，調整電容有兩種接法：若走時偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C，如圖4所示。此時系統總電容加大，振蕩頻率變低，走時減慢。若走時偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時系統的總電容減小，振蕩頻率變高，走時增快。只要經過耐心的反復試驗，就可以調整走時精度。因此，晶振可用于時鐘信號發生器。
2、隨著電視技術的發展，近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，經1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩定性和可靠性大為提高。面且晶振價格便宜，更換容易。
3、在通信系統產品中，石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現，同時也得到了更快的發展。許多高性能的石英晶振主要應用于通信網絡、無線數據傳輸、高速數字數據傳輸等。
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