来源:电子工程专辑

晶振的基本原理及特性

晶振一般采用如图1a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路;实际的晶振交流等效电路如图1b,其中Cv是用来调节振荡频率,一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现,这也是压控作用的机理;把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co,C1,L1,RR是晶体的等效电路。

分析整个振荡槽路可知,利用Cv来改变频率是有限的:决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe,Cce,Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。可以看出:C1越小,Co越大,Cv变化时对整个槽路电容的 作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上,由于C1很小(1E-15量级),Co不能忽略(1E-12量级,几PF)。所以,Cv变大时,降 低槽路频率的作用越来越小,Cv变小时,升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性,压控范围越大,非线性就越厉害;另一方面,分给振 荡的反馈电压(Cbe上的电压)却越来越小,最后导致停振。

采用泛音次数越高的晶振,其等效电容C1就越小;因此频率的变化范围也就越小。

晶振的指标

总频差:在规定的时间内,由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。

说明:总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心,而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如:精密制导雷达。

频率稳定度:任何晶振,频率不稳定是绝对的,程度不同而已。一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图2。图中表现出频率不稳定的三种因素:老化、飘移和短稳。

图2 晶振输出频率随时间变化的示意图

曲线1是用0.1秒测量一次的情况,表现了晶振的短稳;曲线3是用100秒测量一次的情况,表现了晶振的漂移;曲线4 是用1天一次测量的情况。表现了晶振的老化。

频率温度稳定度:在标称电源和负载下,工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。

ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
ftref =±MAX[|(fmax-fref)/fref|,|(fmin-fref)/fref|]
ft:频率温度稳定度(不带隐含基准温度)
ftref:频率温度稳定度(带隐含基准温度)
fmax :规定温度范围内测得的最高频率
fmin:规定温度范围内测得的最低频率
fref:规定基准温度测得的频率

说明:采用ftref指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用ft指标的晶体振荡器,故ftref指标的晶体振荡器售价较高。

开机特性(频率稳定预热时间):指开机后一段时间(如5分钟)的频率到开机后另一段时间(如1小时)的频率的变化率。表示了晶振达到稳定的速度。这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用。

说明:在多数应用中,晶体振荡器是长期加电的,然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和关机,这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到(尤其是 对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台,当要求频率温度稳定度≤±0.3ppm(-45℃~85℃),采用OCXO作为本振,频率稳定预热时间将不少于5分 钟,而采用MCXO只需要十几秒钟)。

频率老化率:在恒定的环境条件下测量振荡器频率时,振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成 的,因此,其频率偏移的速率叫老化率,可用规定时限后的最大变化率(如±10ppb/天,加电72小时后),或规定的时限内最大的总频率变化(如:± 1ppm/(第一年)和±5ppm/(十年))来表示。

晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构工艺缺陷等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳定,一种叫“应力补偿”的晶体切割方法(SC切割法)使晶体有较好的特性。

污染物和残留气体的分子会沉积在晶体片上或使晶体电极氧化,振荡频率越高,所用的晶体片就越薄,这种影响就越厉害。这种影响要经过一段较长的时间 才能逐渐稳定,而且这种稳定随着温度或工作状态的变化会有反复——使污染物在晶体表面再度集中或分散。因此,频率低的晶振比频率高的晶振、工作时间长的晶 振比工作时间短的晶振、连续工作的晶振比断续工作的晶振的老化率要好。

说明:TCXO的频率老化率为:±0.2ppm~±2ppm(第一年)和±1ppm~±5ppm(十年)(除特殊情况,TCXO很少采用每天频率 老化率的指标,因为即使在实验室的条件下,温度变化引起的频率变化也将大大超过温度补偿晶体振荡器每天的频率老化,因此这个指标失去了实际的意义)。 OCXO的频率老化率为:±0.5ppb~±10ppb/天(加电72小时后),±30ppb~±2ppm(第一年),±0.3ppm~±3ppm(十 年)。

短稳:短期稳定度,观察的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。

晶振的输出频率受到内部电路的影响(晶体的Q值、元器件的噪音、电路的稳定性、工作状态等)而产生频谱很宽的不稳定。测量一连串的频率值后,用阿伦方程计算。相位噪音也同样可以反映短稳的情况(要有专用仪器测量)。

重现性:定义:晶振经长时间工作稳定后关机,停机一段时间t1(如24小时),开机一段时间t2(如4小时),测得频率f1,再停机同一段时间t1,再开机同一段时间t2,测得频率f2。重现性=(f2-f1)/f2。

频率压控范围:将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压,晶体振荡器频率的最小峰值改变量。

说明:基准电压为+2.5V,规定终点电压为+0.5V和+4.5V,压控晶体振荡器在+0.5V频率控制电压时频率改变量为-2ppm,在+ 4.5V频率控制电压时频率改变量为+2.1ppm,则VCXO电压控制频率压控范围表示为:≥±2ppm(2.5V±2V),斜率为正,线性为+ 2.4%。

压控频率响应范围:当调制频率变化时,峰值频偏与调制频率之间的关系。通常用规定的调制频率比规定的调制基准频率低若干dB表示。

说明:VCXO频率压控范围频率响应为0~10kHz。

频率压控线性:与理想(直线)函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度,它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。

说明:典型的VCXO频率压控线性为:≤±10%,≤±20%。简单的VCXO频率压控线性计算方法为(当频率压控极性为正极性时):

频率压控线性=±((fmax-fmin)/ f0)×100% fmax:VCXO在最大压控电压时的输出频率
fmin:VCXO在最小压控电压时的输出频率
f0:压控中心电压频率

单边带相位噪声£(f):偏离载波f处,一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。

输出波形:从大类来说,输出波形可以分为方波和正弦波两类。

方波主要用于数字通信系统时钟上,对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。

随着科学技术的迅猛发展,通信、雷达和高速数传等类似系统中,需要高质量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。因为一个带有寄生调幅及调相的载 波信号(不干净的信号)被载有信息的基带信号调制后,这些理想状态下不应存在的频谱成份(载波中的寄生调制)会导致所传输的信号质量及数传误码率明显变 坏。所以作为所传输信号的载体,载波信号的干净程度(频谱纯度)对通信质量有着直接的影响。对于正弦波,通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。

晶振的分类

根据晶振的功能和实现技术的不同,可以将晶振分为以下四类:

1) 恒温晶体振荡器(以下简称OCXO)

这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术,将晶体置于恒温槽内,通过设置恒温工作点,使槽体保持恒温状态,在一定范围内不受外界温度影 响,达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备,包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设 备等领域。根据用户需要,该类型晶振可以带压控引脚。OCXO的工作原理如下图3所示:

图3恒温晶体振荡器原理框图

OCXO的主要优点是,由于采用了恒温槽技术,频率温度特性在所有类型晶振中是最好的,由于电路设计精密,其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大,需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。我公司生产的此类晶振的典型指标如下:

2) 温度补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)。

其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段,主要原理是通过感 应环境温度,将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率,达到稳定输出频率的 效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿,随着补偿技术的发展,很多数字化补偿大TCXO开始出现,这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO,用单片 机进行补偿时我们称之为MCXO,由于采用了数字化技术,这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度,并且能够适应更宽的工作温度范围,主要应用于军工 领域和使用环境恶劣的场合。在广大研发人员的共同努力下,我公司自主开发出了高精度的MCXO,其设计原理和在世界范围都是领先的,配以高度自动化的生产 测试系统,其月产可以达到5000只,其设计原理如图4。

图4 MCXO数字温补晶振原理框图

这类型晶振的典型的应用指标如下:

3) 普通晶体振荡器(SPXO)。这是一种简单的晶体振荡器,通常称为钟振,其工作原理为图3中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。

4) 压控晶体振荡器(VCXO)。这是根据晶振是否带压控功能来分类,带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO,以上三种类型的晶振都可以带压控端口。 (end) 晶振原理 作者 louguofa 日期 2006-11-28 23:00:00

今天调电路碰到了一些关于晶振的问题,又重新翻了一遍晶振的相关知识:

无源晶体与有源晶振的区别、应用范围及用法:

1、无源晶体——无源晶体需要用DSP片内的振荡器,在datasheet上有建议的连接 方法。无源晶体没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的,同样的晶体可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的 DSP,而且价格通常也较低,因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体,这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差,通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电感、电阻等),更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶 体,尽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的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单(主要是做好电源滤波,通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络,输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可),不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法:一脚悬空,二脚接地,三脚接输出,四脚接电压。相对于无源晶体,有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的,需要选择好合适输出电平,灵活性较差,而且价格高。对于 时序要求敏感的应用,个人认为还是有源的晶振好,因为可以选用比较精密的晶振,甚至是高档的温度补偿晶振。有些DSP内部没有起振电路,只能使用有源的晶 振,如TI 的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大,但现在许多有源晶振是表贴的,体积和晶体相当,有的甚至比许多晶体还要小。

几点注意事项: 1、需要倍频的DSP需要配置好PLL周边配置电路,主要是隔离和滤波;
2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件,稳定度好,20MHz以上的大多是谐波的(如3次谐波、5次谐波等等),稳定度差,因此强烈建议使用低频的器件,毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感,其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件;
3、时钟信号走线长度尽可能短,线宽尽可能大,与其它印制线间距尽可能大,紧靠器件布局布线,必要时可以走内层,以及用地线包围;
4、通过背板从外部引入时钟信号时有特殊的设计要求,需要详细参考相关的资料。

此外还要做一些说明:

总体来说晶振的稳定度等方面好于晶体,尤其是精密测量等领域,绝大多数用的都是高档的晶振,这样就可以把各种补偿技术集成在一起,减少了设计的复杂性。试想,如果采用晶体,然后自己设计波形整形、抗干扰、温度补偿,那样的话设计的复杂性将是什么样的呢?我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场合,就是采用 高精度温补晶振的,工业级的要好几百元一个。

特殊领域的应用如果找不到合适的晶振,也就是说设计的复杂性超出了市场上成品晶振水平,就必须自己设计了,这种情况下就要选用晶体了,不过这些晶体肯定不是市场上的普通晶体,而是特殊的高端晶体,如红宝石晶体等等。

更高要求的领域情况更特殊,我们这里在高精度测试时采用的时钟甚至是原子钟、铷钟等设备提供的,通过专用的射频接插件连接,是个大型设备,相当笨重。

1、 晶振:即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中,谐振器用的更多,所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指钟振。

2、 分类。首先说一下谐振器。
谐 振器一般分为插件(Dip)和贴片(SMD)。插件中又分为HC-49U、HC-49U/S、音叉型(圆柱)。HC-49U一般称49U,有些采购俗称 “高型”,而HC-49U/S一般称49S,俗称“矮型”。音叉型按照体积分可分为38,26,15,14等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例 如75(0705)、63.5(0603),5*3.2(5032)等等。脚位有4pin和2pin之分。

而振荡器也是可以分为插件和贴片。 插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的,又称长方形或者14pin,半尺寸的又称为正方形或者8pin。不过要注意的是,这里的14pin和 8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数,振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分,又可分为OSC(普通钟振), TCXO(温度补偿),VCXO(压控),OCXO(恒温)等等。

3、 基本术语。我想这也是很多采购同学比较模糊的地方。这里我选了一些常用的谐振器术语拿来做一下解释。
Frequency Tolerance(调整频差):在规定条件下,在基准温度(25±2℃)与标称频率允许的偏差。一般用PPm(百万分之)表示。

Frequency Stability(温度频差):指在规定的工作温度范围内,与标称频率允许的偏差。用PPm表示。

Aging(年老化率):在规定条件下,晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。
Shunt Capacitance(静电容):等效电路中与串联臂并接的电容,也叫并电容,通常用C0表示。

Load Capacitance(负载电容):与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容,通常用CL表示。

一般最关注的参数有2个,即调整频差,负载电容。有一部分对温度频差有要求。如果工作温度范围比较广,则会对工作温度范围有所要求,即所谓宽温。

4、选用:主要讲讲谐振器。理论上来说,只要参数确定,选任何一种型号都是可以正常使用的。例如49U和49S替换,49S和圆柱以及和贴片替换,都是没有问 题的。但在实际选择中会根据电路特点,成本以及便利性来考量和选择。一般来说,简单的应用中主要都是从成本在考虑。但是有些产品或者电路会对晶振的等效电阻,激励功率等等提出要求,所以就会在不同的型号中加以选择。另外,贴片则主要是为了适应产品日益小型化和提高生产效率的要求。听到有些采购朋友说,只能 选49S而不能用49U或者反之,这是一个小误区。呵呵。

而钟振的选择则主要决定产品电路的特性的要求,一般来说钟振在精密性以及需要达到相关应用的要求会更好。例如手机,通信机站,卫星等等。