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晶振定義

石英晶體振蕩器,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製成的。

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石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。由於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,被應用於家用電器和通信設備中。

晶振分類

按大類分為以下4種

1、簡單晶體振蕩器(XO)

這是最基本的類型,其穩定度完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 在MHz範圍內的較高頻率晶體由石英棒製成,其製造方式是即使環境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化,也可提供相對穩定的頻率。即使在這麽寬的溫度範圍內,適當切割的石英晶體也可實現±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諧振器相較,晶體振蕩器的性能已大幅提升了。但對於某些應用來說,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法滿足應用要求,就可以采用溫度補償單元。TCXO使用溫度感測元件以及產生電壓曲線的電路,在整個溫度範圍內,該電壓曲線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的類型和溫度範圍,TCXO的典型穩定度規範範圍為小於±0.5ppm至±5ppm。

3、恒溫控製晶體振蕩器(OCXO)

對於某些應用,TCXO的頻率-溫度穩定度指標仍無法滿足要求。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,但仍受控製,使得環境溫度即使變化大,晶體的溫度也保持穩定。由於晶體的溫度和振蕩器的敏感部份變化很小,頻率-環境溫度穩定度得到顯著改善。在環境溫度範圍內,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。在開機後,還需要等待溫度和頻率穩定的暖機時間,取決於晶體振蕩器的類型,暖機時長通常從1分鍾到10多分鍾。

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(PLL)中的參考,或可能用於調節波形。VCXO透過電子頻率控製(EFC)電壓輸入,提供了這項功能。對於某些專用元件,VCXO的調諧範圍規格可能在±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)並在某一頻率下產生重複交流輸出的器件。所需的頻率由係統類型和如何使用該振蕩器所決定。
一些應用需要kHz範圍內的低頻晶體。一個常見的例子是32.768 kHz手(鍾)表晶體。 但是大多數當前的應用需要更高頻率的晶體,範圍從小於10MHz到大於100MHz。
2、頻率穩定性和溫度範圍
所需的頻率穩定性由係統要求確定。振蕩器的穩定性可簡單地表述為:由於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

任何類型的晶振通常都可以被設計為利用係統中已有的DC輸入電源電壓來操作。 在數字係統中,通常希望使用與振蕩器將驅動的係統中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來驅動晶振,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。另一個考慮因素是為器件供電所需的電流量。XO或TCXO可能隻需要幾mA,因此在低電壓係統中,其功耗可以小於0.01W。另一方麵,在上電時,一些OCXO可以需要5W或6W。

4、輸出波形

然後要選擇輸出波形以匹配振蕩器將在係統中驅動的負載。最常見的輸出之一是CMOS——以驅動邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和係統的Vdd軌之間擺動的方波。對於高於約100MHz的較高頻率,通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個180°異相的輸出、具有快速上升和下降時間以及非常小的抖動。最通用的類型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用於驅動RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件,則通常會指定某個功率級別的正弦波輸出。產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

基於振蕩器類型和規格,對晶振封裝的要求將大相徑庭。簡單的時鍾振蕩器和一些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引腳類型仍然用於較大的部件(如OCXO或專用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,或基於FR-4的、具有用於I/O的建構的組件。

6、總結

器件選型時一般都要留出一些餘量,以保證產品的可靠性。選用較高檔的器件可以進一步降低失效概率,帶來潛在的效益,這一點在比較產品價格的時候也要考慮到。要使振蕩器的“整體性能”趨於平衡、合理,這就需要權衡諸如穩定度、工作溫度範圍、晶體老化效應、相位噪聲、成本等多方麵因素,這裏的成本不僅僅包含器件的價格,而且包含產品全壽命的使用成本。

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