晶體振蕩器基本簡介

晶體振蕩器是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片)，石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振[1];而在封裝內(nèi)部添加LC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。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。

1.通用晶體振蕩器，用于各種電路中，產(chǎn)生振蕩頻率。

2.時鐘脈沖用石英晶體諧振器，與其它元件配合產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，廣泛用于數(shù)字電路中。

3.微處理器用石英晶體諧振器。

4.CTVVTR用石英晶體諧振器。

5.鐘表用石英晶體振蕩器。

⒈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)稱頻率的最大頻差。

說明:總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率溫度準(zhǔn)確度、頻率老化率、頻率電源電壓穩(wěn)

定度和頻率負載穩(wěn)定度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)不嚴格要求的場合采用。例如:精密制導(dǎo)雷達。

⒉ 頻率溫度穩(wěn)定度:在標(biāo)稱電源和負載下，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。

⒊ 頻率穩(wěn)定預(yù)熱時間:以晶體振蕩器穩(wěn)定輸出頻率為基準(zhǔn)，從加電到輸出頻率小于規(guī)定

頻率允差所需要的時間。

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

頻繁的開機和關(guān)機，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DTCXO只需要十幾秒鐘)。

⒋ 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，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。

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)，因為即使在實驗室的條件下，溫

度變化引起的頻率變化也將大大超過溫度補償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個指標(biāo)失

去了實際的意義)。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)。

⒌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-110ppm，在+4.5V頻率控制電壓時頻率改變量為+

130ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為:≥±100ppm(2.5V±2V)。

⒍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。

⒎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，它以百分數(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

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

⒏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。

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、計算機、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)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號 。

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(簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個對應(yīng)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(gòu)成了石英晶體諧振器，簡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 。

若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，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，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)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(dāng)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(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) 。

當(dāng)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(guān)，一般約幾個PF到幾十PF。當(dāng)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(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 。

計算機都有個計時電路，盡管一般使用"時鐘"這個詞來表示這些設(shè)備，但它們實際上并不是通常意義的時鐘，把它們稱為計時器(timer)可能更恰當(dāng)一點。計算機的計時器通常是一個精密加工過的石英晶體，石英晶體在其張力限度內(nèi)以一定的頻率振蕩，這種頻率取決于晶體本身如何切割及其受到張力的大小。有兩個寄存器與每個石英晶體相關(guān)聯(lián)，一個計數(shù)器(counter)和一個保持寄存器(holdingregister)。石英晶體的每次振蕩使計數(shù)器減1。當(dāng)計數(shù)器減為0時，產(chǎn)生一個中斷，計數(shù)器從保持寄存器中重新裝入初始值。這種方法使得對一個計時器進行編程，令其每秒產(chǎn)生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷)成為可能。每次中斷稱為一個時鐘嘀嗒(clocktick)。

晶振在電氣上可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯(lián)諧振，較高的頻率為并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器(注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶振的負載電容為15p或12.5p，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。

晶振在應(yīng)用具體起到的作用，微控制器的時鐘源可以分為兩類:基于機械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路;RC(電阻、電容)振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置，適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器?；诰д衽c陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。RC振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動時很容易產(chǎn)生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有:電磁干擾(EMI)、機械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器(硅振蕩器)。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?/p>

選擇振蕩器時還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負載電容，整個電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA ~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻(固定)器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時只需不到2mA的電流。在特定的應(yīng)用場合優(yōu)化時鐘源需要綜合考慮以下一些因素:精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。

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(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，無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10~7℃范圍內(nèi)一般可達±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重要參數(shù)。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650~1700MHz，電源電壓2.2~3.3V，工作電流8~10mA。

4、低功耗，快速啟動，低電壓工作，低電平驅(qū)動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超過2mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術(shù)也取得突破性進展。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)定時間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMDTCXO，在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90%。OAK公司的10~25MHz的OCXO產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達到±0.01ppm的穩(wěn)定度。

石英晶體振蕩器分 非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)和數(shù)字化/μp補償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型。其中，無溫度補償式晶體振蕩器是最簡單的一種，在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)中 ，稱其為標(biāo)準(zhǔn)封裝晶體振蕩器(SPXO)。

石英晶體器件

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，它的基本結(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)成了石英晶體諧振器，簡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。石英晶體的壓電效應(yīng):若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。注意，這種效應(yīng)是可逆的。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)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(dāng)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(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)。

石英晶體振蕩器分非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)和 數(shù)字化/μp補償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型。 其中，無溫度補償式晶體振蕩器是最簡單的一種，在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)中，稱其為標(biāo)準(zhǔn)封裝晶體振蕩器(SPXO)。現(xiàn)以SPXO為 例，簡要介紹一下石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)與工作原理。

石英晶體，有天然的也有人造的，是一種重要的壓電晶體材料。石英晶體本身并非振蕩器，它只有借助于有源激勵和無源電抗網(wǎng)絡(luò)方可產(chǎn)生振蕩。SPXO主要是由品質(zhì)因數(shù)(Q)很高的晶體諧振器(即晶體振子)與反饋式振蕩電路組成的。石英晶體振子是振蕩器中的重要元件，晶體的頻率(基頻或n次諧波頻率)及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。石英晶體諧振器的基本結(jié)構(gòu)、(金屬殼)封裝及其等效電路。只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致機械變形的振幅突然增大。

石英晶體振蕩器的應(yīng)用:1、石英鐘走時準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)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(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。故無法通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時精度。但此時仍可用加接一只電容C有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時精度。根據(jù)電子鐘表走時的快慢，調(diào)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(tǒng)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(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時增快。只要經(jīng)過耐心的反復(fù)試驗，就可以調(diào)整走時精度。因此，晶振可用于時鐘信號發(fā)生器。 2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近 來 彩電多采用500kHz或503kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，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。而且晶振價格便宜，更換容易。

3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

溫度補償晶體器件

溫度補償晶體振蕩器(TCXO)是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型: ⑴直接補償型 直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振蕩器中與石英晶體振子串聯(lián)而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯(lián)電容容值相應(yīng)變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節(jié)省印制電路板(PCB)尺寸和空間，適用于小型和低壓小電流場合。但當(dāng)要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時，直接補償方式并不適宜。

⑵間接補償型 間接補償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度-電壓變換電路，并將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變?nèi)荻O管上，通過晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進行補償。該補償方式能實現(xiàn)±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數(shù)字化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度-電壓變換電路之后再加一級模/數(shù)(A/D)變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該法可實現(xiàn)自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高，但具體的補償電路比較復(fù)雜，成本也較高，只適用于基地站和廣播電臺等要求高精度化的情況。

TCXO發(fā)展現(xiàn)狀 TCXO在近十幾年中得到長足發(fā)展，其中在精密TCXO的研究開發(fā)與生產(chǎn)方面，日本居領(lǐng)先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達20 以上，目 前的主流產(chǎn)品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27。在30年中，TCXO的體積縮小為1/50乃至1/100。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生產(chǎn)的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振蕩啟動4ms后即可達到額定振蕩幅度的90%。金石(KSS)集團生產(chǎn)的TCXO頻率范圍為2~80MHz，溫度從-10℃到60℃變化時的穩(wěn)定度為±1ppm或±2ppm;數(shù)字式TCXO的頻率覆蓋范圍為0.2~90MHz，頻率穩(wěn)定度為±0.1ppm(-30℃~+85℃)。日本東澤通信機生產(chǎn)的TCO-935/937型片式直接溫補型TCXO，頻率溫度特性(點頻15.36MHz)為±1ppm/-20~+70℃，在5V±5%的電源電壓下的頻率電壓特性為±0.3ppm，輸出正弦波波形(幅值為1VPP)，電流損耗不足2mA，體積1 ，重量僅為1g。PiezoTechnology生產(chǎn)的X3080型TCXO采用表面貼裝和穿孔兩種封裝，正弦波或邏輯輸出，在-55℃~85℃范圍內(nèi)能達到±0.25~±1ppm的精度。國內(nèi)的產(chǎn)品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發(fā)有限公司推出的TCXO(32~40MHz)在室溫下精度優(yōu)于±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率(機械)微調(diào)≥±3ppm，電源功耗≤120mw。目 前高穩(wěn)定度的TCXO器件，精度可達±0.05ppm。 高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究課題。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點:一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難;二是片式封裝后在其回流焊接作業(yè)中，由于焊接溫度遠高于TCXO的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發(fā)生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以將TCXO的頻率變化量控制在±0.5×10-6以下。但是，TCXO的技術(shù)水平的提高并沒進入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。

TCXO的應(yīng)用

石英晶體振蕩器的發(fā)展及其在無線系統(tǒng)中的應(yīng)用，由于TCXO具有較高的頻率穩(wěn)定度，而且體積小，在小電流下能夠快速啟動，其應(yīng)用領(lǐng)域重點擴展到移動通信系統(tǒng)。TCXO作為基準(zhǔn)振蕩器為發(fā)送信道提供頻率基準(zhǔn)，同時作為接收通道的第一級本機振蕩器;另一只TCXO作為第2級本機振蕩器，將其振蕩信號輸入到第2變頻器。目 前 移動電話要求的頻率穩(wěn)定度為0.1~2.5ppm(-30~+75℃)，但出于成本上的考慮，通常選用的規(guī)格為1.5~2.5ppm。移動電話用12~20MHz的TCXO代表性產(chǎn)品之一是VC-TCXO-201C1，采用直接補償方式，，由日本金石(KSS)公司生產(chǎn)。

應(yīng)用:測試設(shè)備 頻率范圍:1MHz-160MHz

常用頻點:45 5.12 6 6.4 8.192 9.216 10 10.24 12 12.8 13 14.4 15.36 16.38 16.384 19.44 19.68 19.8 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 52 50 77.76 80 100 155.52

外形圖:

電壓控制晶體器件

電壓控制晶體振蕩器(VCXO)，是通過施加外部控制電壓使振蕩頻率可變或是可以調(diào)制的石英晶體振蕩器。在典型的VCXO中，通常是通過調(diào)諧電壓改變變?nèi)荻O管的電容量來"牽引"石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制范圍比較寬，實際的牽引度范圍約為±200ppm甚至更大。如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶體振子所能實現(xiàn)的頻率還要高，可采用倍頻方案。擴展調(diào)諧范圍的另一個方法是將晶體振蕩器的輸出信號與VCXO的輸出信號混頻。與單一的振蕩器相比，這種外差式的兩個振蕩器信號調(diào)諧范圍有明顯擴展。

在移動通信基地站中作為高精度基準(zhǔn)信號源使用的VCXO代表性產(chǎn)品是日本精工·愛普生公司生產(chǎn)的VG-2320SC。這種采用與IC同樣塑封的4引腳器件，內(nèi)裝單獨開發(fā)的專用IC，器件尺寸為 12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19。其標(biāo)準(zhǔn)頻率為12~20MHz，電源電壓為3.0±0.3V，工作電流不大于2mA，在-20~+75℃范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度≤±1.5ppm，頻率可變范圍是±20~±35ppm，啟動振蕩時間小于4ms。金石集團生產(chǎn)的VCXO，頻率覆蓋范圍為10~360MHz，頻率牽引度從±60ppm到±100ppm。VCXO封裝發(fā)展趨勢是朝SMD方向發(fā)展，并且在電源電壓方面盡可能采用3.3V。日本東洋通信機生產(chǎn)的TCO-947系列片式VCXO，早在90年代中期前就應(yīng)用于汽車電話系統(tǒng)。該系列VCXO的工作頻率點是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，頻率溫度特性±2.5ppm/-30~+75℃，頻率電壓特性±0.3ppm/5V±5%，老化特性±1ppm/年，內(nèi)部采用SMD/SMC，并采用激光束和汽相點焊方式封裝，高度為4mm。日本富士電氣化學(xué)公司開發(fā)的個人手持電話系統(tǒng)(PHS)等移動通信用VCXO，共有兩大類六個系列，為適應(yīng)SMT要求，全部采用SMD封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、Champion技術(shù)公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1-KH/LH等VCXO，均是表面貼裝器件，電源電壓為3.3V或5V，可覆蓋的頻率范圍或最高頻率分別為32~120MHz、155MHz、2~40MHz和1-50MHz，牽引度從±25ppm到±150ppm不等。MF電子公司生產(chǎn)的T-VCXO系列產(chǎn)品尺寸為5mm×7mm，曾被業(yè)內(nèi)認為是外形尺寸最小的產(chǎn)品，但這個小型化的記錄很快被打破。新推出的雙頻終端機用VCXO尺寸僅為5.8mm×4.8mm，并且有的內(nèi)裝2只VCXO。Raltron電子公司生產(chǎn)的VX-8000系。 應(yīng)用:移頻直放站、測試設(shè)備、蜂窩基站

頻率范圍: 1MHz-200MHz

常用頻點:12.8 13 15.36 16.38 16.384 18.432 19.44 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 44.545 51.2 58.078 65 70 73.6100 107.374 120 131.04 135.56

外形圖:

恒溫控制晶體器件

恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關(guān)重要元器件置于恒溫槽中，還有的將石英晶體振子置于內(nèi)部的恒溫槽中，而將振蕩電路置于外部的恒溫槽中進行溫度補償，實行雙重恒溫槽控制法。利用比例控制的恒溫槽能把晶體的溫度穩(wěn)定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩(wěn)定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移動通信基地站、國防、導(dǎo)航、頻率計數(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備、儀表中。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構(gòu)成的。通常人們是利用熱敏電阻"電橋"構(gòu)成的差動串聯(lián)放大器，來實現(xiàn)溫度控制的。具有自動增益控制(AGC)的(C1app)振蕩電路，是 目 前獲得振蕩頻率高穩(wěn)定度的比較理想的技術(shù)方案。OCXO的技術(shù)水平有了很大的提高。日本電波工業(yè)公司開發(fā)的新器件功耗僅為老產(chǎn)品的1/10。在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。該公司使用應(yīng)力補償切割(SCCut)石英晶體振子制作的OCXO，與使用AT切形石英晶體振子的OCXO比較，具有高得多的頻率穩(wěn)定度和非常低的相位噪聲。相位噪聲是指信號功率與噪聲功率的比率(C/N)，是表征頻率顫抖的技術(shù)指標(biāo)。在對預(yù)期信號既定補償處，以1Hz帶寬為單位來測量相位噪聲。Bliley公司用AT切形晶體制作的NV45A在補償點10Hz、100Hz、1kHz和10kHz處的相位噪聲分別為100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶體制成的同樣OCXO，則在所有補償點上的噪聲性能都優(yōu)于5dBc/Hz。 金石集團生產(chǎn)的OCXO，頻率范圍為5~120MHz，在-10~+60℃的溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指標(biāo)為±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak頻率控制公司的4895型4.096~45MHz雙恒溫箱控制OCXO，溫度穩(wěn)定度僅為0.002ppm(2×10-10)/0~75℃;4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率為±0.03ppm/年。如果體積縮小一點，在性能指標(biāo)上則會有所犧牲。Oak公司生產(chǎn)的10~25MHz表面貼裝OCXO，頻率穩(wěn)定度為±0.05ppm/0~70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系統(tǒng)(GPS)的OCXO采用SC切形石英晶體振子，在0~75℃范圍內(nèi)總頻偏小于±0.005ppm，最大老化率為±0.005ppm/年。Vectron國際公司的CO-760型OCXO，尺寸為25.4mm見方，高12.7mm，在OCXO產(chǎn)品中，體積算是較小的。隨著移動通信產(chǎn)品的迅猛增長，對OCXO的市場需求量會逐年增加。OCXO的發(fā)展方向是順應(yīng)高頻化、高頻率穩(wěn)定度和低相位噪聲的要求，但在尺寸上的縮小余地非常有限。

應(yīng)用:GPS時鐘、移頻直放站、基站、接入網(wǎng)、測試設(shè)備 特點:低相位噪聲、高穩(wěn)定度

頻率范圍: 1MHz-160 MHz

常用頻點:4.09655.126.48.1929.83041010.2310.241212.81315.3615.616.3816.38419.442030.72 32.76836.86438.884040.54551.258.0786573.677.374120131.04160

外形圖:

晶體振蕩器被廣泛應(yīng)用到軍、民用通信電臺，微波通信設(shè)備，程控電話交換機 ，無線電綜合測試儀，BP機、移動電話發(fā)射臺，高檔頻率計數(shù)器、GPS、衛(wèi)星通信、遙控移動設(shè)備等。它有多種封裝，特點是電氣性能規(guī)范多種多樣。它有好幾種不同的類型:電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)、恒溫晶體振蕩器(OCXO)，以及數(shù)字補償晶體振蕩器(MCXO或DTCXO)，每種類型都有自己的獨特性能。如果需要使設(shè)備即開即用，您就必須選用VCXO或溫補晶振，如果要求穩(wěn)定度在0.5ppm以上，則需選擇數(shù)字溫補晶振(MCXO)。模擬溫補晶振適用于穩(wěn)定度要求在5ppm~0.5ppm之間的需求。VCXO只適合于穩(wěn)定度要求在5ppm以下的產(chǎn)品。在不需要即開即用的環(huán)境下，如果需要信號穩(wěn)定度超過0.1ppm的，可選用OCXO。

晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性，它是決定振蕩器價格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬，器件的價格亦愈高。工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-40~+75℃這個范圍往往只是出于設(shè)計者們的習(xí)慣，倘若-30~+70℃已經(jīng)夠用，那么就不必去追求更寬的溫度范圍。設(shè)計工程師要慎密決定特定應(yīng)用的實際需要，然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)定度。指標(biāo)過高意味著花錢愈多。晶體老化是造成頻率變化的又一重要因素。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的預(yù)期壽命不同，有多種方法可以減弱這種影響。晶體老化會使輸出頻率按照對數(shù)曲線發(fā)生變化，也就是說在產(chǎn)品使用的第一年，這種現(xiàn)象才最為顯著。例如，使用10年以上的晶體，其老化速度大約是第一年的3倍。采用特殊的晶體加工工藝可以改善這種情況，也可以采用調(diào)節(jié)的辦法解決，比如，可以在控制引腳上施加電壓(即增加電壓控制功能)等。

與穩(wěn)定度有關(guān)的其他因素還包括電源電壓、負載變化、相位噪聲和抖動，這些指標(biāo)應(yīng)該規(guī)定出來。對于工業(yè)產(chǎn)品，有時還需要提出振動、沖擊方面的指標(biāo)，軍用品和宇航設(shè)備的要求往往更多，比如壓力變化時的容差、受輻射時的容差，等等。

必須考慮的其它參數(shù)是輸出類型、相位噪聲、抖動、電壓特性、負載特性、功耗、封裝形式，對于工業(yè)產(chǎn)品，有時還要考慮沖擊和振動、以及電磁干擾(EMI)。晶體振蕩器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波輸出。每種輸出類型都有它的獨特波形特性和用途。應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互補輸出的要求。對稱性、上升和下降時間以及邏輯電平對某些應(yīng)用來說也要作出規(guī)定。許多DSP和通信芯片組往往需要嚴格的對稱性(45%至55%)和快速的上升和下降時間(小于5ns)。相位噪聲和抖動:在頻域測量獲得的相位噪聲是短期穩(wěn)定度的真實量度。它可測量到中心頻率的1Hz之內(nèi)和通常測量到1MHz。晶體振蕩器的相位噪聲在遠離中心頻率的頻率下有所改善。TCXO和OCXO振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能。采用鎖相環(huán)合成器產(chǎn)生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術(shù)的振蕩器一般呈現(xiàn)較差的相位噪聲性能。 抖動與相位噪聲相關(guān)，但是它在時域下測量。以微微秒表示的抖動可用有效值或峰-峰值測出。許多應(yīng)用，例如通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、ATM和SONET要求必須滿足嚴格的拌動指標(biāo)。需要密切注意在這些系統(tǒng)中應(yīng)用的振蕩器的抖動和相位噪聲特性。

電源和負載的影響:振蕩器的頻率穩(wěn)定性亦受到振蕩器電源電壓變動以及振蕩器負載變動的影響。正確選擇振蕩器可將這些影響減到最少。設(shè)計者應(yīng)在建議的電源電壓容差和負載下檢驗振蕩器的性能。不能期望只能額定驅(qū)動15pF的振蕩器在驅(qū)動50pF時會有好的表現(xiàn)。在超過建議的電源電壓下工作的振蕩器亦會呈現(xiàn)較差的波形和穩(wěn)定性。對于需要電池供電的器件，一定要考慮功耗。引入3.3V的產(chǎn)品必然要開發(fā)在3.3V下工作的振蕩器。較低的電壓允許產(chǎn)品在低功率下運行。大部分市售的表面貼裝振蕩器在3.3V下工作。許多采用傳統(tǒng)5V器件的穿孔式振蕩器正在重新設(shè)計，以便3.3V下工作。

與其它電子元件相似，時鐘振蕩器亦采用愈來愈小型的封裝。根據(jù)客戶的需要制作各種類型、不同尺寸的晶體振蕩器(具體資料請參看產(chǎn)品手冊)。通常，較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴。所以，小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷。

晶體振蕩器實際應(yīng)用的環(huán)境需要慎重考慮。例如，高強度的振動或沖擊會給振蕩器帶來問題。除了可能產(chǎn)生物理損壞，振動或沖擊可在某些頻率下引起錯誤的動作。這些外部感應(yīng)的擾動會產(chǎn)生頻率跳動、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。對于要求特殊EMI兼容的應(yīng)用，EMI是另一個要優(yōu)先考慮的問題。除了采用合適的PC母板布局技術(shù)，重要的是選擇可提供輻射量最小的時鐘振蕩器。一般來說，具有較慢上升/下降時間的振蕩器呈現(xiàn)較好的EMI特性。

對于晶振的檢測，通常僅能用示波器(需要通過電路板給予加電)或頻率計實現(xiàn)。萬用表或其它測試儀等是無法測量的。如果沒有條件或沒有辦法判斷其好壞時，那只能采用代換法了，這也是行之有效的。 晶振常見的故障有:(a)內(nèi)部漏電;(b)內(nèi)部開路;(c)變質(zhì)頻偏;(d)與其相連的外圍電容漏電。從這些故障看，使用萬用表的高阻檔和測試儀的Ⅵ曲線功能應(yīng)能檢查出(C),(D)項的故障，但這將取決于它的損壞程度。

總結(jié):器件選型時一般都要留出一些余量，以保證產(chǎn)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(chǎn)品價格的時候也要考慮到。要使振蕩器的"整體性能"趨于平衡、合理，這就需要權(quán)衡諸如穩(wěn)定度、工作溫度范圍、晶體老化效應(yīng)、相位噪聲、成本等多方面因素，這里的成本不僅僅包含器件的價格，而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。

書 名: 晶體振蕩器

作 者:趙聲衡

出版社:科學(xué)出版社

出版時間:2008年05月

ISBN: 3

開本:16開

定價: 62.00 元

本書系統(tǒng)地闡述了低老化率晶體振蕩器、低噪聲晶體振蕩器、壓控晶體振蕩器、集成電路晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器和MEMs振蕩器的工作原理和設(shè)計方法。為了幫助讀者能深入理解各種類型的振蕩電路，書中對諧振器的性能、電噪聲和低噪聲電子電路、頻率穩(wěn)定度的表征等問題都作了較為詳細的敘述。

本書可供從事時間頻率控制的工程技術(shù)人員、大專院校有關(guān)專業(yè)的教師和學(xué)生參考，也可作為壓電技術(shù)、通信技術(shù)、儀器儀表、計量測試、導(dǎo)航雷達和航空航天等行業(yè)專業(yè)人員的參考書。

前言

第1章 頻譜分析概要

第2章 電噪聲

第3章 頻率源特性的表征

第4章 石英晶體振蕩器概論

第5章 低老化率晶體振蕩器

第6章 低噪聲晶體振蕩器

第7章 壓控晶體振蕩器

第8章 集成電路晶體振蕩器

第9章 溫度補償晶體振蕩器

第10章 MEMS振蕩器

第11章 晶體振蕩器應(yīng)用指南

附錄