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晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片),石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

原理

石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效,它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大,而C很小,R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达1000~10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
计算机都有个计时电路,尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备,但它们实际上并不是通常意义的时钟,把它们称为计时器(timer)可能更恰当一点。计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体,石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡,这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联,一个计数器(counter)和一个保持寄存器(holdingregister)。石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时,产生一个中断,计数器从保持寄存器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程,令其每秒产生60次中断(或者以任何其它希望的频率产生中断)成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒(clocktick)。
晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振,较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等的并联电容,就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振,再有两个电容分别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容,请注意一般IC的引脚都有等效输入电容,这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p,如果再考虑元件引脚的等效输入电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

应用

  1、通用晶体振荡器,用于各种电路中,产生振荡频率。
  2、时钟脉冲用石英晶体谐振器,与其它元件配合产生标准脉冲信号,广泛用于数字电路中。
  3、微处理器用石英晶体谐振器。
  4、CTVVTR用石英晶体谐振器。
  5、钟表用石英晶体振荡器。

作用

  晶振在应用具体起到的作用,微控制器的时钟源可以分为两类:基于机械谐振器件的时钟源,如晶振、陶瓷谐振槽路;RC(电阻、电容)振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置,适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动,成本也比较低,但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差,会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时,陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感,但在过驱动时很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。影响振荡器工作的环境因素有:电磁干扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化,增加不稳定性,并且在有些情况下,还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出,并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器(硅振荡器)。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高,多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。
  选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。CMOS放大器功耗与工作频率成正比,可以表示为功率耗散电容值。比如,HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。在4MHz、5V电源下工作时,相当于1.8mA的电源电流。再加上20pF的晶振负载电容,整个电源电流为2.2mA。陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容,相应地也需要更多的电流。相比之下,晶振模块一般需要电源电流为10mA~60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能,范围可以从低频(固定)器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器,如MAX7375,工作在4MHz时只需不到2mA的电流。在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素:精度、成本、功耗以及环境需求。

参数

参数

基本描述

频率准确度

在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(25℃)以及其他条件保持不变,晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差,即(fmax-fmin)/f0;

温度稳定度

其他条件保持不变,在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);

频率调节范围

通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。

调频(压控)特性

包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。

①调频频偏:压控晶体振荡器控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。

②调频灵敏度:压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。

③调频线性度:是一种与理想直线(最小二乘法)相比较的调制系统传输特性的量度。

负载特性

其他条件保持不变,负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。

电压特性

其他条件保持不变,电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。

杂波

输出信号中与主频无谐波(副谐波除外)关系的离散频谱分量与主频的功率比,用dBc表示。

谐波

谐波分量功率Pi与载波功率P0之比,用dBc表示。

频率老化

在规定的环境条件下,由于元件(主要是石英谐振器)老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振,由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移,往往用老化率(单位时间内的相对频率变化)来量度。

日波动

指振荡器经过规定的预热时间后,每隔一小时测量一次,连续测量24小时,将测试数据按S=(fmax-fmin)/f0式计算,得到日波动。

开机特性

在规定的预热时间内,振荡器频率值的最大变化,用V=(fmax-fmin)/f0表示。

相位噪声

短期稳定度的频域量度。用单边带噪声与载波噪声之比£(f)表示,£(f)与噪声起伏的频谱密度Sφ(f)和频率起伏的频谱密度Sy(f)直接相关,由下式表示:

f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£(f)

f—傅立叶频率或偏离载波频率;f0—载波频率。

 

指标

  ⒈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频差。
  说明:总频差包括频率温度稳定度、频率温度准确度、频率老化率、频率电源电压稳定度和频率负载稳定度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。
  ⒉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。
  ⒊频率稳定预热时间:以晶体振荡器稳定输出频率为基准,从加电到输出频率小于规定频率允差所需要的时间。
  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DTCXO只需要十几秒钟)。
  ⒋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,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。
  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)。
  ⒌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-110ppm,在+4.5V频率控制电压时频率改变量为+130ppm,则VCXO电压控制频率压控范围表示为:≥±100ppm(2.5V±2V)。
  ⒍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。
  ⒎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
  ⒏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。

选用

  晶体振荡器被广泛应用到军、民用通信电台,微波通信设备,程控电话交换机,无线电综合测试仪,BP机、移动电话发射台,高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。它有多种封装,特点是电气性能规范多种多样。它有好几种不同的类型:电压控制晶体振荡器(VCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、恒温晶体振荡器(OCXO),以及数字补偿晶体振荡器(MCXO或DTCXO),每种类型都有自己的独特性能。如果需要使设备即开即用,您就必须选用VCXO或温补晶振,如果要求稳定度在0.5ppm以上,则需选择数字温补晶振(MCXO)。模拟温补晶振适用于稳定度要求在5ppm~0.5ppm之间的需求。VCXO只适合于稳定度要求在5ppm以下的产品。在不需要即开即用的环境下,如果需要信号稳定度超过0.1ppm的,可选用OCXO。
  频率稳定性
  晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性,它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽,器件的价格亦愈高。工业级标准规定的-40~+75℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯,倘若-30~+70℃已经够用,那么就不必去追求更宽的温度范围。设计工程师要慎密决定特定应用的实际需要,然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。晶体老化是造成频率变化的又一重要因素。根据目标产品的预期寿命不同,有多种方法可以减弱这种影响。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化,也就是说在产品使用的第一年,这种现象才最为显着。例如,使用10年以上的晶体,其老化速度大约是第一年的3倍。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况,也可以采用调节的办法解决,比如,可以在控制引脚上施加电压(即增加电压控制功能)等。
  与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动,这些指标应该规定出来。对于工业产品,有时还需要提出振动、冲击方面的指标,军用品和宇航设备的要求往往更多,比如压力变化时的容差、受辐射时的容差,等等。
  输出
  必须考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压特性、负载特性、功耗、封装形式,对于工业产品,有时还要考虑冲击和振动、以及电磁干扰(EMI)。晶体振荡器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。许多DSP和通信芯片组往往需要严格的对称性(45%至55%)和快速的上升和下降时间(小于5ns)。相位噪声和抖动:在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中心频率的1Hz之内和通常测量到1MHz。晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。
  抖动与相位噪声相关,但是它在时域下测量。以微微秒表示的抖动可用有效值或峰—峰值测出。许多应用,例如通信网络、无线数据传输、ATM和SONET要求必须满足严格的拌动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。
  电源和负载的影响:振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡器的性能。不能期望只能额定驱动15pF的振荡器在驱动50pF时会有好的表现。在超过建议的电源电压下工作的振荡器亦会呈现较差的波形和稳定性。对于需要电池供电的器件,一定要考虑功耗。引入3.3V的产品必然要开发在3.3V下工作的振荡器。较低的电压允许产品在低功率下运行。大部分市售的表面贴装振荡器在3.3V下工作。许多采用传统5V器件的穿孔式振荡器正在重新设计,以便3.3V下工作。
  封装
  与其它电子元件相似,时钟振荡器亦采用愈来愈小型的封装。根据客户的需要制作各种类型、不同尺寸的晶体振荡器(具体资料请参看产品手册)。通常,较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。所以,小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。
  工作环境
  晶体振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如,高强度的振动或冲击会给振荡器带来问题。除了可能产生物理损坏,振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。这些外部感应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。对于要求特殊EMI兼容的应用,EMI是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的PC母板布局技术,重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说,具有较慢上升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI特性检测
  对于晶振的检测,通常仅能用示波器(需要通过电路板给予加电)或频率计实现。万用表或其它测试仪等是无法测量的。如果没有条件或没有办法判断其好坏时,那只能采用代换法了,这也是行之有效的。
  晶振常见的故障有:
  (a)内部漏电;(b)内部开路;(c)变质频偏;(d)与其相连的外围电容漏电。从这些故障看,使用万用表的高阻档和测试仪的Ⅵ曲线功能应能检查出(C),(D)项的故障,但这将取决于它的损坏程度。
  总结:器件选型时一般都要留出一些余量,以保证产品的可靠性。选用较高档的器件可以进一步降低失效概率,带来潜在的效益,这一点在比较产品价格的时候也要考虑到。要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理,这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素,这里的成本不仅仅包含器件的价格,而且包含产品全寿命的使用成本。

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