【導(dǎo)讀】石英晶體振蕩器是目前精確度和穩(wěn)定度最高的振蕩器,廣泛應(yīng)用于全球定位系統(tǒng)（GPS）和移動(dòng)通信等各種系統(tǒng)中。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。那么石英晶體振蕩器是如何分類的？使用時(shí)又該如何選擇呢？接下來(lái)我們就深入地了解一下石英晶體振蕩器的分類及選用指南。
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30×30×15 mm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。
選用指南
晶體振蕩器被廣泛應(yīng)用到軍、民用通信電臺(tái),微波通信設(shè)備,程控電話交換機(jī),無(wú)線電綜合測(cè)試儀,BP機(jī)、移動(dòng)電話發(fā)射臺(tái),高檔頻率計(jì)數(shù)器、GPS、衛(wèi)星通信、遙控移動(dòng)設(shè)備等。
它有多種封裝,特點(diǎn)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(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）、恒溫晶體振蕩器（OCXO）,以及數(shù)字補(bǔ)償晶體振蕩器（MCXO或DTCXO）,每種類型都有自己的獨(dú)特性能。
如果您需要使您的設(shè)備即開(kāi)即用,您就必須選用VCXO或溫補(bǔ)晶振,如果要求穩(wěn)定度在0.5ppm以上,則需選擇數(shù)字溫補(bǔ)晶振（MCXO）。
模擬溫補(bǔ)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(kāi)即用的環(huán)境下,如果需要信號(hào)穩(wěn)定度超過(guò)0.1ppm的,可選用OCXO。
頻率穩(wěn)定性的考慮
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(jià)格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬,器件的價(jià)格亦愈高。工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-40～+75℃這個(gè)范圍往往只是出于設(shè)計(jì)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(jì)工程師要慎密決定特定應(yīng)用的實(shí)際需要,然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)定度。指標(biāo)過(guò)高意味著花錢(qián)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(huì)使輸出頻率按照對(duì)數(shù)曲線發(fā)生變化,也就是說(shuō)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(fù)載變化、相位噪聲和抖動(dòng),這些指標(biāo)應(yīng)該規(guī)定出來(lái)。對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品,有時(shí)還需要提出振動(dòng)、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(shí)的容差、受輻射時(shí)的容差,等等。
輸出
必須考慮的其它參數(shù)是輸出類型、相位噪聲、抖動(dòng)、電壓特性、負(fù)載特性、功耗、封裝形式,對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品,有時(shí)還要考慮沖擊和振動(dòng)、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(dú)特波形特性和用途。應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互補(bǔ)輸出的要求。對(duì)稱性、上升和下降時(shí)間以及邏輯電平對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)也要作出規(guī)定。許多DSP和通信芯片組往往需要嚴(yán)格的對(duì)稱性（45%至55%）和快速的上升和下降時(shí)間（小于5ns）。
相位噪聲和抖動(dòng)
在頻域測(cè)量獲得的相位噪聲是短期穩(wěn)定度的真實(shí)量度。它可測(cè)量到中心頻率的1Hz之內(nèi)和通常測(cè)量到1MHz。
晶體振蕩器的相位噪聲在遠(yuǎn)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(dòng)與相位噪聲相關(guān),但是它在時(shí)域下測(cè)量。以微微秒表示的抖動(dòng)可用有效值或峰—峰值測(cè)出。許多應(yīng)用,例如通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、ATM和SONET要求必須滿足嚴(yán)格的拌動(dòng)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(dòng)和相位噪聲特性。
電源和負(fù)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(dòng)以及振蕩器負(fù)載變動(dòng)的影響。正確選擇振蕩器可將這些影響減到最少。設(shè)計(jì)者應(yīng)在建議的電源電壓容差和負(fù)載下檢驗(yàn)振蕩器的性能。不能期望只能額定驅(qū)動(dòng)15pF的振蕩器在驅(qū)動(dòng)50pF時(shí)會(huì)有好的表現(xiàn)。在超過(guò)建議的電源電壓下工作的振蕩器亦會(huì)呈現(xiàn)較差的波形和穩(wěn)定性。
對(duì)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(kāi)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(yùn)行。現(xiàn)今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(jì),以便3.3V下工作。
封裝
與其它電子元件相似,時(shí)鐘振蕩器亦采用愈來(lái)愈小型的封裝。大普通信技術(shù)有限公司能夠根據(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(qǐng)參看產(chǎn)品手冊(cè)）。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。
工作環(huán)境
晶體振蕩器實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境需要慎重考慮。例如,高強(qiáng)度的振動(dòng)或沖擊會(huì)給振蕩器帶來(lái)問(wèn)題。
除了可能產(chǎn)生物理?yè)p壞,振動(dòng)或沖擊可在某些頻率下引起錯(cuò)誤的動(dòng)作。這些外部感應(yīng)的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生頻率跳動(dòng)、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。
對(duì)于要求特殊EMI兼容的應(yīng)用,EMI是另一個(gè)要優(yōu)先考慮的問(wèn)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(shí)鐘振蕩器。
一般來(lái)說(shuō),具有較慢上升/下降時(shí)間的振蕩器呈現(xiàn)較好的EMI特性。
檢測(cè)
對(duì)于晶振的檢測(cè), 通常僅能用示波器(需要通過(guò)電路板給予加電)或頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)。萬(wàn)用表或其它測(cè)試儀等是無(wú)法測(cè)量的。如果沒(méi)有條件或沒(méi)有辦法判斷其好壞時(shí), 那只能采用代換法了,這也是行之有效的。
晶振常見(jiàn)的故障有: (a)內(nèi)部漏電; (b)內(nèi)部開(kāi)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(wàn)用表的高阻檔和測(cè)試儀的VI曲線功能應(yīng)能檢查出(C),(D)項(xiàng)的故障,但這將取決于它的損壞程度。
總結(jié)
器件選型時(shí)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(jìn)一步降低失效概率,帶來(lái)潛在的效益,這一點(diǎn)在比較產(chǎn)品價(jià)格的時(shí)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(jià)格,而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。
注: 下面介紹了幾個(gè)足以表現(xiàn)出一個(gè)晶體振蕩器性能高低的技術(shù)指標(biāo),了解這些指標(biāo)的含義,將有助于設(shè)計(jì)工程師順利完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目,同時(shí)也可以大大減少整機(jī)生產(chǎn)廠家的采購(gòu)成本。
總頻差：在規(guī)定的時(shí)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(shuō)明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率常溫準(zhǔn)確度、頻率老化率、頻率電源電壓穩(wěn)定度（電壓特性）和頻率負(fù)載穩(wěn)定度（負(fù)載特性）共同造成的最大頻差。一般只在對(duì)短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心,而對(duì)其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場(chǎng)合采用。
頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負(fù)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。
說(shuō)明： 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)
綜上所述，本文講解了石英晶體振蕩器分類及選用指南，相信大家對(duì)石英晶體振蕩器分類及選用指南的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入。
本文來(lái)源于傳感器技術(shù)。
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