晶體振盪器

晶體振盪器

晶體振盪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;而在封裝內部添加IC組成振盪電路的晶體元件稱為晶體振盪器。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的。

基本信息

套用

1.通用晶體振盪器,用於各種電路中,產生振盪頻率。
2.時鐘脈衝用石英晶體諧振器,與其它元件配合產生標準脈衝 信號,廣泛用於數字電路中。
3.微處理器用石英晶體諧振器。
4.CTVVTR用石英晶體諧振器。
5.鐘錶用石英晶體振盪器。

技術指標

晶體振盪器 晶體振盪器
⒈總頻差:在規定的時間內,由於規定的工作和非工作參數全部組合而引起的晶體振盪器頻率與給定標稱頻率的最大頻差。
說明:總頻差包括頻率溫度穩定度、頻率溫度準確度、頻率老化率、頻率電源電壓穩定度和頻率負載穩定度共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩定度關心,而對其他頻率穩定度指標不嚴格要求的場合採用。例如:精密制導雷達。
⒉ 頻率溫度穩定度:在標稱電源和負載下,工作在規定溫度範圍內的不帶隱含基準溫度或帶隱含基準溫度的最大允許頻偏。
fT=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
fTref =±MAX[|(fmax-fref)/fref|,|(fmin-fref)/fref|]
fT:頻率溫度穩定度(不帶隱含基準溫度)
fTref:頻率溫度穩定度(帶隱含基準溫度)
fmax :規定溫度範圍內測得的最高頻率
fmin:規定溫度範圍內測得的最低頻率
fref:規定基準溫度測得的頻率
說明:採用fTref指標的晶體振盪器其生產難度要高於採用fT指標的晶體振盪器,故fTref指標的晶體振盪器售價較高。
⒊ 頻率穩定預熱時間:以晶體振盪器穩定輸出頻率為基準,從加電到輸出頻率小於規定頻率允差所需要的時間。
說明:在多數套用中,晶體振盪器是長期加電的,然而在某些套用中晶體振盪器需要頻繁的開機和關機,這時頻率穩定預熱時間指標需要被考慮到(尤其是對於在苛刻環境中使用的軍用通訊電台,當要求頻率溫度穩定度≤±0.3ppm(-45℃~85℃),採用OCXO作為本振,頻率穩定預熱時間將不少於5分鐘,而採用DTCXO只需要十幾秒鐘)。
⒋ 頻率老化率:在恆定的環境條件下測量振盪器頻率時,振盪器頻率和時間之間的關係。這種長期頻率漂移是由晶體元件和振盪器電路元件的緩慢變化造成的,可用規定時限後的最大變化率(如±10ppb/天,加電72小時後),或規定的時限內最大的總頻率變化(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很少採用每天頻率老化率的指標,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盪器每天的頻率老化,因此這個指標失去了實際的 意義)。OCXO的頻率老化率為:±0.5ppb~±10ppb/天(加電72小時後),±30ppb~±2ppm(第一年),±0.3ppm~±3ppm(十年)。
⒌頻率壓控範圍:將頻率控制電壓從基準電壓調到規定的終點電壓,晶體振盪器頻率的最小峰值改變數。
說明:基準電壓為+2.5V,規定終點電壓為+0.5V和+4.5V,壓控晶體振盪器在+0.5V頻率控制電壓時頻率改變數為-110ppm,在+4.5V頻率控制電壓時頻率改變數為+130ppm,則VCXO電壓控制頻率壓控範圍表示為:≥±100ppm(2.5V±2V)。
⒍壓控頻率回響範圍:當調製頻率變化時,峰值頻偏與調製頻率之間的關係。通常用規定的調製頻率比規定的調製基準頻率低若干dB表示。
說明:VCXO頻率壓控範圍頻率回響為0~10kHz。
⒎頻率壓控線性:與理想(直線)函式相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度,它以百分數表示整個範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,一個相位調製邊帶的 功率密度與載波功率之比。

主要參數

參數 基本描述
頻率準確度 在標稱電源 電壓、標稱負載阻抗、基準溫度(25℃)以及其他條件保持不變,晶體振盪器的頻率相對與其規定標稱值的最大允許偏差,即(fmax-fmin)/f0;
溫度穩定度 其他條件保持不變,在規定溫度範圍內晶體振盪器輸出頻率的最大變化量相對於溫度範圍內輸出頻率極值之和的允許頻偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);
頻率調節範圍 通過調節晶振的某可變元件改變輸出頻率的範圍。
調頻(壓控)特性 包括調頻頻偏、調頻靈敏度、調頻線性度。 ①調頻頻偏:壓控晶體振盪器控制電壓由標稱的最大值變化到最小值時輸出頻率差。 ②調頻靈敏度:壓控晶體振盪器變化單位外加控制電壓所引起的輸出頻率的變化量。 ③調頻線性度:是一種與理想直線(最小二乘法)相比較的調製系統傳輸特性的量度。
負載特性 其他條件保持不變,負載在規定變化範圍內晶體振盪器輸出頻率相對於標稱負載下的輸出頻率的最大允許頻偏。
電壓特性 其他條件保持不變,電源電壓在規定變化範圍內晶體振盪器輸出頻率相對於標稱電源電壓下的輸出頻率的最大允許頻偏。
雜波 輸出信號中與主頻無諧波(副諧波除外)關係的離散頻譜分量與主頻的功率比,用dBc表示。
諧波 諧波分量功率Pi與載波功率P0之比,用dBc表示。
頻率老化 在規定的環境條件下,由於元件(主要是石英諧振器)老化而引起的輸出頻率隨時間的系統漂移過程。通常用某一時間間隔內的頻差來量度。對於高穩定晶振,由於輸出頻率在較長的工作時間內呈近似線性的單方向漂移,往往用老化率(單位時間內的相對頻率變化)來量度。
日波動 指振盪器經過規定的預熱時間後,每隔一小時測量一次,連續測量24小時,將測試數據按S=(fmax-fmin)/f0式計算,得到日波動。
開機特性 在規定的預熱時間內,振盪器頻率值的最大變化,用V=(fmax-fmin)/f0表示。
相位噪聲 短期穩定度的頻域量度。用單邊帶噪聲與載波噪聲之比£(f)表示,£;(f)與噪聲起伏的頻譜密度Sφ(f)和頻率起伏的頻譜密度Sy(f)直接相關,由下式表示: f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£;(f) f—傅立葉頻率或偏離載波頻率;f0—載波頻率。

工作原理

石英晶體振盪器是高精度和高穩定度的振盪器,被廣泛套用於彩電、 計算機、遙控器等各類振盪電路中,以及通信系統中用於頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。
石英晶體振盪器是利用石英晶體(二氧化矽的結晶體)的壓電效應製成的一種諧振器件,它的基本構成大致是: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),在它的兩個對應面上塗敷銀層作為電極,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成了石英晶體諧振器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的。
若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形。反之,若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時晶片的機械振動又會產生交變電場。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,這種現象稱為壓電諧振,它與LC迴路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。
當晶體不振動時,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,一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振盪時,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,它的數值約為100Ω。由於晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此迴路的品質因數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,而且可以做得精確,因此利用石英諧振器組成的振盪電路可獲得很高的頻率穩定度。
計算機都有個計時電路,儘管一般使用“時鐘”這個詞來表示這些設備,但它們實際上並不是通常意義的時鐘,把它們稱為計時器(timer)可能更恰當一點。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以一定的頻率振盪,這種頻率取決於晶體本身如何切割及其受到張力的大小。有兩個暫存器與每個石英晶體相關聯,一個計數器(counter)和一個保持暫存器(holdingregister)。石英晶體的每次振盪使計數器減1。當計數器減為0時,產生一個中斷,計數器從保持暫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,令其每秒產生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產生中斷)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並聯再串聯一個電容的二端網路,電工學上這個網路有兩個諧振點,以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯諧振,較高的頻率為並聯諧振。由於晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當的接近,在這個極窄的頻率範圍內,晶振等效為一個電感,所以只要晶振的兩端並聯上合適的電容它就會組成並聯諧振電路。這個並聯諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構成正弦波振盪電路,由於晶振等效為電感的頻率範圍很窄,所以即使其他元件的參數變化很大,這個振盪器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數,那就是負載電容值,選擇與負載電容值相等的並聯電容,就可以得到晶振標稱的諧振頻率。一般的晶振振盪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,這兩個電容串聯的容量值就應該等於負載電容,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的電容構成晶振的振盪電路就是比較好的選擇。

功能作用

晶振在套用具體起到的作用,微控制器的時鐘源可以分為兩類:基於機械諧振器件的時鐘源,如晶振、陶瓷諧振槽路;RC(電阻、電容)振盪器。一種是皮爾斯振盪器配置,適用於晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為 簡單的分立RC振盪器。基於晶振與陶瓷諧振槽路的振盪器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度係數。RC振盪器能夠快速啟動,成本也比較低,但通常在整個溫度和工作電源電壓範圍內精度較差,會在標稱輸出頻率的5%至50%範圍內變化。但其性能受環境條件和電路元件選擇的影響。需認真對待振盪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的負載電容必須根據特定的邏輯系列進行最佳化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇並不敏感,但在過驅動時很容易產生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振盪器工作的環境因素有:電磁干擾(EMI)、機械震動與衝擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化,增加不穩定性,並且在有些情況下,還會造成振盪器停振。上述大部分問題都可以通過使用振盪器模組避免。這些模組自帶振盪器、提供低阻方波輸出,並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組和集成RC振盪器(矽振盪器)。晶振模組提供與分立晶振相同的精度。矽振盪器的精度要比分立RC振盪器高,多數情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當的精度。
選擇振盪器時還需要考慮功耗。分立振盪器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內部的電容值所決定。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,相當於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,相應地也需要更多的電流。相比之下,晶振模組一般需要電源電流為10mA ~60mA。矽振盪器的電源電流取決於其類型與功能,範圍可以從低頻(固定)器件的幾個微安到可程式器件的幾個毫安。一種低功率的矽振盪器,如MAX7375,工作在4MHz時只需不到2mA的電流。在特定的套用場合最佳化時鐘源需要綜合考慮以下一些因素:精度、成本、功耗以及環境需求。

發展趨勢

1、小型化、薄片化和片式化:為滿足行動電話為代表的攜帶型產品輕、薄、短小的要求,石英晶體振盪器的封裝由傳統的裸金屬外殼覆塑膠金屬向陶瓷封裝轉變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30~100倍。採用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm,目 前 5×3mm尺寸的器件已經上市。
2、高精度與高穩定度,無補償式晶體振盪器總精度也能達到±25ppm,VCXO的頻率穩定度在10~7℃範圍內一般可達±20~100ppm,而OCXO在同一溫度範圍內頻率穩定度一般為±0.0001~5ppm,VCXO控制在±25ppm以下。
3、低噪聲,高頻化,在GPS通信系統中是不允許頻率顫抖的,相位噪聲是表征振盪器頻率顫抖的一個重要參數。OCXO主流產品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外,其它類型的晶體振盪器最高輸出頻率不超過200MHz。例如用於GSM等行動電話的UCV4系列壓控振盪器,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產品,電流損耗不超過2mA。石英晶體振盪器的快速啟動技術也取得突破性進展。例如日本精工生產的VG—2320SC型VCXO,在±0.1ppm規定值範圍條件下,頻率穩定時間小於4ms。 日本東京 陶瓷公司生產的SMDTCXO,在振盪啟動4ms後則可達到額定值的90%。OAK公司的10~25MHz的OCXO產品,在預熱5分鐘後,則能達到±0.01ppm的穩定度。

基本分類

石英晶體振盪器分 非溫度補償式晶體振盪器、溫度補償晶體振盪器(TCXO)、電壓控制晶體振盪器(VCXO)、恆溫控制式晶體振盪器(OCXO)和數位化/μp補償式晶體振盪器(DCXO/MCXO)等幾種類型。其中,無溫度補償式晶體振盪器是最簡單的一種,在日本工業標準(JIS)中 ,稱其為標準封裝晶體振盪器(SPXO)。
石英晶體器件
晶體振盪器 晶體振盪器
石英晶體振盪器 是利用石英晶體(二氧化矽的結晶體)的壓電效應 製成的一種諧振器件,它的基本結構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),在它的兩個對應面上塗敷銀層 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成了石英晶體諧振器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的。石英晶體的壓電效應:若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形。反之,若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應。注意,這種效應是可逆的。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時晶片的機械振動又會產生交變電場。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,這種現象稱為壓電諧振,它與LC迴路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。
石英晶體振盪器分非溫度補償式晶體振盪器、溫度補償晶體振盪器(TCXO)、電壓控制晶體振盪器(VCXO)、恆溫控制式晶體振盪器(OCXO)和 數位化/μp補償式晶體振盪器(DCXO/MCXO)等幾種類型。 其中,無溫度補償式晶體振盪器是最簡單的一種,在日本工業標準(JIS)中,稱其為標準封裝晶體振盪器(SPXO)。現以SPXO為 例,簡要介紹一下石英晶體振盪器的結構與工作原理。
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。石英晶體本身並非振盪器,它只有藉助於有源激勵和無源電抗網路方可產生振盪。SPXO主要是由品質因數(Q)很高的晶體諧振器(即晶體振子)與反饋式振盪電路組成的。石英晶體振子是振盪器中的重要元件,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於其切割取向。石英晶體諧振器的基本結構、(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,就會使晶片產生機械變形振動,此現象即所謂逆壓電效應。當外加電壓頻率等於晶體諧振器的固有頻率時,就會發生壓電諧振,從而導致機械變形的振幅突然增大。
石英晶體振盪器的套用:1、石英鐘走時準、耗電省、經久耐用為其最大優點。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盪器為核心電路,其頻率精度決定了電子鐘錶的走時精度。石英晶體振盪器原理的示意如圖3所示,其中V1和V2構成CMOS反相器石英晶體Q與振盪電容C1及微調電容C2構成振盪系統,這裡石英晶體相當於電感。振盪系統的元件參數確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻,R2為振盪的穩定電阻,它們都集成在電路內部。故無法通過改變C1或C2的數值來調整走時精度。但此時仍可用加接一隻電容C有方法,來改變振盪系統參數,以調整走時精度。根據電子鐘錶走時的快慢,調整電容有兩種接法:若走時偏快,則可在石英晶體兩端並接電容C,如圖4所示。此時系統總電容加大,振盪頻率變低,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。此時系統的總電容減小,振盪頻率變高,走時增快。只要經過耐心的反覆試驗,就可以調整走時精度。因此,晶振可用於時鐘 信號發生器。
2、隨著電視技術的發展,近 來 彩電多採用500kHz或503kHz的晶體振盪器作為行、場電路的振盪源,經1/3的分頻得到15625Hz的行頻,其穩定性和可靠性大為提高。而且晶振價格便宜,更換容易。
3、在通信系統產品中,石英晶體振盪器的價值得到了更廣泛的體現,同時也得到了更快的發展。許多高性能的石英晶振主要套用於通信網路、無線數據傳輸、高速數字數據傳輸等。
溫度補償晶體器件
石英晶體振盪器 石英晶體振盪器
溫度補償晶體振盪器(TCXO)是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產生的振盪頻率變化量削減的一種石英晶體振盪器。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,在振盪器中與石英晶體振子串聯而成的。在溫度變化時,熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯電容容值相應變化,從而抵消或削減振盪頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單,成本較低,節省印製電路板(PCB)尺寸和空間,適用於小型和低壓小電流場合。但當要求晶體振盪器精度小於±1pmm時,直接補償方式並不適宜。
⑵間接補償型 間接補償型又分模擬式和數字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度感測元件組成溫度-電壓變換電路,並將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變容二極體上,通過晶體振子串聯電容量的變化,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±0.5ppm的高精度,但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數位化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之後再加一級模/數(A/D)變換器,將模擬量轉換成數字量。該法可實現自動溫度補償,使晶體振盪器頻率穩定度非常高,但具體的補償電路比較複雜,成本也較高,只適用於基地站和廣播電台等要求高精度化的情況。
電子器件 電子器件
TCXO發展現狀TCXO在近十幾年中得到長足發展,其中在精密TCXO的研究開發與生產方面,日本居領先和主宰地位。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。日本京陶瓷公司採用回流焊接方法生產的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm,在振盪啟動4ms後即可達到額定振盪幅度的90%。金石(KSS)集團生產的TCXO頻率範圍為2~80MHz,溫度從-10℃到60℃變化時的穩定度為±1ppm或±2ppm;數字式TCXO的頻率覆蓋範圍為0.2~90MHz,頻率穩定度為±0.1ppm(-30℃~+85℃)。日本東澤通信機生產的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生產的X3080型TCXO採用表面貼裝和穿孔兩種封裝,正弦波或邏輯輸出,在-55℃~85℃範圍內能達到±0.25~±1ppm的精度。國內的產品水平也較高,如北京瑞華欣科技開發有限公司推出的TCXO(32~40MHz)在室溫下精度優於±1ppm,第一年的頻率老化率為±1ppm,頻率(機械)微調≥±3ppm,電源功耗≤120mw。目 前高穩定度的TCXO器件,精度可達±0.05ppm。
溫度補償晶體振盪器 溫度補償晶體振盪器
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;二是片式封裝後在其回流焊接作業中,由於焊接溫度遠高於TCXO的最大允許溫度,會使晶體振子的頻率發生變化,若不採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的技術水平的提高並沒進入到極限,創新的內容和潛力仍較大。
TCXO的套用
溫度補償晶體振盪器 溫度補償晶體振盪器
石英晶體振盪器的發展及其在無線系統中的套用,由於TCXO具有較高的頻率穩定度,而且體積小,在小電流下能夠快速啟動,其套用領域重點擴展到移動通信系統。TCXO作為基準振盪器為傳送信道提供頻率基準,同時作為接收通道的第一級本機振盪器;另一隻TCXO作為第2級本機振盪器,將其振盪信號輸入到第2變頻器。目 前 行動電話要求的頻率穩定度為0.1~2.5ppm(-30~+75℃),但出於成本上的考慮,通常選用的規格為1.5~2.5ppm。行動電話用12~20MHz的TCXO代表性產品之一是VC-TCXO-201C1,採用直接補償方式,,由日本金石(KSS)公司生產。
套用:測試設備頻率範圍: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
溫度補償晶體振盪器 溫度補償晶體振盪器
電壓控制晶體振盪器(VCXO),是通過施加外部控制電壓使振盪頻率可變或是可以調製的石英晶體振盪器。在典型的VCXO中,通常是通過調諧電壓改變變容二極體的電容量來“牽引”石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制範圍比較寬,實際的牽引度範圍約為±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的頻率還要高,可採用倍頻方案。擴展調諧範圍的另一個方法是將晶體振盪器的輸出信號與VCXO的輸出信號混頻。與單一的振盪器相比,這種外差式的兩個振盪器信號調諧範圍有明顯擴展。
在移動通信基地站中作為高精度基準信號源使用的VCXO代表性產品是日本精工·愛普生公司生產的VG-2320SC。這種採用與IC同樣塑封的4引腳器件,內裝單獨開發的專用IC,器件尺寸為12.6mm×7.6mm×1.9mm,體積為0.19。其標準頻率為12~20MHz,電源電壓為3.0±0.3V,工作電流不大於2mA,在-20~+75℃範圍內的頻率穩定度≤±1.5ppm,頻率可變範圍是±20~±35ppm,啟動振盪時間小於4ms。金石集團生產的VCXO,頻率覆蓋範圍為10~360MHz,頻率牽引度從±60ppm到±100ppm。VCXO封裝發展趨勢是朝SMD方向發展,並且在電源電壓方面儘可能採用3.3V。日本東洋通信機生產的TCO-947系列片式VCXO,早在90年代中期前就套用於汽車電話系統。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,內部採用SMD/SMC,並採用雷射束和汽相點焊方式封裝,高度為4mm。日本富士電氣化學公司開發的個人手持電話系統(PHS)等移動通信用VCXO,共有兩大類六個系列,為適應SMT要求,全部採用SMD封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、Champion技術公司的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,可覆蓋的頻率範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電子公司生產的T-VCXO系列產品尺寸為5mm×7mm,曾被業內認為是外形尺寸最小的產品,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,並且有的內裝2隻VCXO。Raltron電子公司生產的VX-8000系。
溫度補償晶體振盪器 溫度補償晶體振盪器
套用:移頻直放站、測試設備、蜂窩基站
頻率範圍:  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:
恆溫控制晶體器件
電壓控制晶體振盪器 電壓控制晶體振盪器
恆溫控制晶體振盪器(OCXO)是利用恆溫槽使晶體振盪器或石英晶體振子的溫度保持恆定,將由周圍溫度變化引起的振盪器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振盪器,其內部結構如圖4所示。在OCXO中,有的只將石英晶體振子置於恆溫槽中,有的是將石英晶體振子和有關重要元器件置於恆溫槽中,還有的將石英晶體振子置於內部的恆溫槽中,而將振盪電路置於外部的恆溫槽中進行溫度補償,實行雙重恆溫槽控制法。利用比例控制的恆溫槽能把晶體的溫度穩定度提高到5000倍以上,使振盪器頻率穩定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用於移動通信基地站、國防、導航、頻率計數器、頻譜和網路分析儀等設備、儀表中。OCXO是由恆溫槽控制電路和振盪器電路構成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構成的差動串聯放大器,來實現溫度控制的。具有自動增益控制(AGC)的(C1app)振盪電路,是 目 前獲得振盪頻率高穩定度的比較理想的技術方案。OCXO的技術水平有了很大的提高。日本電波工業公司開發的新器件功耗僅為老產品的1/10。在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。該公司使用應力補償切割(SCCut)石英晶體振子製作的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指標。在對預期信號既定補償處,以1Hz頻寬為單位來測量相位噪聲。Bliley公司用AT切形晶體製作的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切割晶體製成的同樣OCXO,則在所有補償點上的噪聲性能都優於5dBc/Hz。
電壓控制晶體振盪器 電壓控制晶體振盪器
金石集團生產的OCXO,頻率範圍為5~120MHz,在-10~+60℃的溫度範圍內,頻率穩定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm,老化指標為±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak頻率控制公司的4895型4.096~45MHz雙恆溫箱控制OCXO,溫度穩定度僅為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,在性能指標上則會有所犧牲。Oak公司生產的10~25MHz表面貼裝OCXO,頻率穩定度為±0.05ppm/0~70℃。PiezoCrystal的275型用於全球定位系統(GPS)的OCXO採用SC切形石英晶體振子,在0~75℃範圍內總頻偏小於±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產品中,體積算是較小的。隨著移動通信產品的迅猛增長,對OCXO的市場需求量會逐年增加。OCXO的發展方向是順應高頻化、高頻率穩定度和低相位噪聲的要求,但在尺寸上的縮小餘地非常有限。
恆溫低噪音控制晶體振盪器 恆溫低噪音控制晶體振盪器
套用:GPS時鐘、移頻直放站、基站、接入網、測試設備
特點:低相位噪聲、高穩定度
頻率範圍:  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:

選用指南

晶體振盪器被廣泛套用到軍、民用通信電台,微波通信設備,程控電話交換機,無線電綜合測試儀,BP機、行動電話發射台,高檔頻率計數器、GPS、衛星通信、遙控移動設備等。它有多種封裝,特點是電氣性能規範多種多樣。它有好幾種不同的類型:電壓控制晶體振盪器(VCXO)、溫度補償晶體振盪器(TCXO)、恆溫晶體振盪器(OCXO),以及數字補償晶體振盪器(MCXO或DTCXO),每種類型都有自己的獨特性能。如果需要使設備即開即用,您就必須選用VCXO或溫補晶振,如果要求穩定度在0.5ppm以上,則需選擇數字溫補晶振(MCXO)。模擬溫補晶振適用於穩定度要求在5ppm~0.5ppm之間的需求。VCXO只適合於穩定度要求在5ppm以下的產品。在不需要即開即用的環境下,如果需要信號穩定度超過0.1ppm的,可選用OCXO。

頻率穩定性

晶體振盪器的主要特性之一是工作溫度內的穩定性,它是決定振盪器價格的重要因素。穩定性愈高或溫度範圍愈寬,器件的價格亦愈高。工業級標準規定的-40~+75℃這個範圍往往只是出於設計者們的習慣,倘若-30~+70℃已經夠用,那么就不必去追求更寬的溫度範圍。設計工程師要慎密決定特定套用的實際需要,然後規定振盪器的穩定度。指標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。根據目標產品的預期壽命不同,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曲線發生變化,也就是說在產品使用的第一年,這種現象才最為顯著。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。採用特殊的晶體加工工藝可以改善這種情況,也可以採用調節的辦法解決,比如,可以在控制引腳上施加電壓(即增加電壓控制功能)等。
與穩定度有關的其他因素還包括電源電壓、負載變化、相位噪聲和抖動,這些指標應該規定出來。對於工業產品,有時還需要提出振動、衝擊方面的指標,軍用品和宇航設備的要求往往更多,比如壓力變化時的容差、受輻射時的容差,等等。

輸出

恆溫控制晶體振盪器 恆溫控制晶體振盪器
必須考慮的其它參數是輸出類型、相位噪聲、抖動、電壓特性、負載特性、功耗、封裝形式,對於工業產品,有時還要考慮衝擊和振動、以及電磁干擾(EMI)。晶體振盪器可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。應該關注三態或互補輸出的要求。對稱性、上升和下降時間以及邏輯電平對某些套用來說也要作出規定。許多DSP和通信晶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(小於5ns)。相位噪聲和抖動:在頻域測量獲得的相位噪聲是短期穩定度的真實量度。它可測量到中心頻率的1Hz之內和通常測量到1MHz。晶體振盪器的相位噪聲在遠離中心頻率的頻率下有所改善。TCXO和OCXO振盪器以及其它利用基波或諧波方式的晶體振盪器具有最好的相位噪聲性能。採用鎖相環合成器產生輸出頻率的振盪器比採用非鎖相環技術的振盪器一般呈現較差的相位噪聲性能。
抖動與相位噪聲相關,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。許多套用,例如通信網路、無線數據傳輸、ATM和SONET要求必須滿足嚴格的拌動指標。需要密切注意在這些系統中套用的振盪器的抖動和相位噪聲特性。
電源和負載的影響:振盪器的頻率穩定性亦受到振盪器電源電壓變動以及振盪器負載變動的影響。正確選擇振盪器可將這些影響減到最少。設計者應在建議的電源電壓容差和負載下檢驗振盪器的性能。不能期望只能額定驅動15pF的振盪器在驅動50pF時會有好的表現。在超過建議的電源電壓下工作的振盪器亦會呈現較差的波形和穩定性。對於需要電池供電的器件,一定要考慮功耗。引入3.3V的產品必然要開發在3.3V下工作的振盪器。較低的電壓允許產品在低功率下運行。大部分市售的表面貼裝振盪器在3.3V下工作。許多採用傳統5V器件的穿孔式振盪器正在重新設計,以便3.3V下工作。

封裝

晶體振盪器 晶體振盪器
與其它電子元件相似,時鐘振盪器亦採用愈來愈小型的封裝。根據客戶的需要製作各種類型、不同尺寸的晶體振盪器(具體資料請參看產品手冊)。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。

工作環境

晶體振盪器實際套用的環境需要慎重考慮。例如,高強度的振動或衝擊會給振盪器帶來問題。除了可能產生物理損壞,振動或衝擊可在某些頻率下引起錯誤的動作。這些外部感應的擾動會產生頻率跳動、增加噪聲份量以及間歇性振盪器失效。對於要求特殊EMI兼容的套用,EMI是另一個要優先考慮的問題。除了採用合適的PC母板布局技術,重要的是選擇可提供輻射量最小的時鐘振盪器。一般來說,具有較慢上升/下降時間的振盪器呈現較好的EMI特性。

檢測

晶振一覽表 晶振一覽表
對於晶振的檢測,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。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,那只能採用代換法了,這也是行之有效的。
晶振常見的故障有:(a)內部漏電;(b)內部開路;(c)變質頻偏;(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曲線功能應能檢查出(C),(D)項的故障,但這將取決於它的損壞程度。
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機率,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。要使振盪器的“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、成本等多方面因素,這裡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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