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              晶振,晶體,時鐘概念詳解

              發布時間:2020-09-14 07:03:50
                1。晶體(crystal),有的RD稱其為晶振: 石英晶體,是無源的兩個腳的,沒有方向,需要IC或其它外部晶體振蕩器輸入,才產生頻率,是無方向的。晶體還需要反向器, 負載電容(loading capacitor)才可組成振蕩器.石英晶體元件由石英晶體片和外殼組成一種無源壓電元件,俗稱晶體、晶振,我國早期稱晶體諧振器。由此可見正常石英晶體元件(兩腳),是無方向性的,但當一個引出端(引腳)與外殼相連導通時就有可能有方向性了。
               
                crystal是一種機電器件,是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性,如果給他通電,他就會產生機械振蕩,反之,如果給他機械力,他又會產生電,這種特性叫機電效應。他們有一個很重要的特點,其振蕩頻率與他們的形狀,材料,切割方向等密切相關。由于石英晶體化學性能非常穩定,熱膨脹系數非常小,其振蕩頻率也非常穩定,由于控制幾何尺寸可以做到很精密,因此,其諧振頻率也很準確。
               
                -請問反向器, 負載電容(loading capacitor) 是做什么用的??為什么要?
               
                -形成正反饋啊,這樣才能起振啊
               
                諧振器和鐘振他們的卻別在于諧振器是最簡單的沒有任何補償的振蕩器,而我們通常說的鐘振是由一個諧振器加上ic組成一個回路而實現其自身的功能。以vcxo為例:壓控晶體振蕩器(VCXO)是通過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是可以調制的石英晶體振蕩器。VCXO主要由石英諧振器、變容二極管和振蕩電路組成,其工作原理是通過控制電壓來改變變容二極管的電容,從而“牽引”石英諧振器的頻率,以達到頻率調制的目的。VCXO大多用于鎖相技術、頻率負反饋調制的目的。而決定如何選用也應該很清楚了吧?
               
                2。鐘振(oscillator),有的RD也稱其為晶振,一般有四個腳,是有方向的,有電源、地和時鐘輸出引腳,內部有晶體和振蕩電路,不需要輸入輸入信號源,直接可產生頻率。出廠時頻率已校準。特點:應用方便、頻率穩定、電磁輻射少。但價格比晶體貴些。石英晶體振蕩器簡稱晶振,一般是由石英晶體元件、IC和阻容及外殼組成有源功能組件,加電即可輸出穩定頻率信號。對晶振一般為4腳(引出端),都有方向性,樣本或說明書中有標注。
               
                諧振器(Resonator):在電路中等效作用是一個具有選頻作用的網絡,是振蕩電路核心元器件,決定了振蕩器的頻率穩定度(Frequency stability)種類有:石英晶體,陶瓷,LC,介質等材料的諧振器。石英晶體與放大電路配合如果行成正反饋,并且回路放大系數大于一則產生自激振蕩信號。這就是石英晶體器的基本原理。
               
                選用-------根據你所用的IC的具體要求, 1) 只能用外部時鐘, 則選鐘振, 或用晶振+反相器+電容來組成振蕩器, 按價錢和方便來取, 2)若可用外部時鐘, 也可用晶振,那就用晶振, 3)若只能用晶振, 就選晶振
               
                無源晶體與有源晶振的區別、應用范圍及用法:
                1、無源晶體——無源晶體需要用DSP片內的振蕩器,在datasheet上有建議的連接方法。無源晶體沒有電壓的問題,信號電平是可變的,也就是說是根據起振電路來決定的,同樣的晶體可以適用于多種電壓,可用于多種不同時鐘信號電壓要求的DSP,而且價格通常也較低,因此對于一般的應用如果條件許可建議用晶體,這尤其適合于產品線豐富批量大的生產者。無源晶體相對于晶振而言其缺陷是信號質量較差,通常需要精確匹配外圍電路(用于信號匹配的電容、電感、電阻等),更換不同頻率的晶體時周邊配置電路需要做相應的調整。建議采用精度較高的石英晶體,盡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的內部振蕩器,信號質量好,比較穩定,而且連接方式相對簡單(主要是做好電源濾波,通常使用一個電容和電感構成的PI型濾波網絡,輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可),不需要復雜的配置電路。有源晶振通常的用法:一腳懸空,二腳接地,三腳接輸出,四腳接電壓。相對于無源晶體,有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的,需要選擇好合適輸出電平,靈活性較差,而且價格高。對于時序要求敏感的應用,個人認為還是有源的晶振好,因為可以選用比較精密的晶振,甚至是高檔的溫度補償晶振。有些DSP內部沒有起振電路,只能使用有源的晶振,如TI 的6000系列等。有源晶振相比于無源晶體通常體積較大,但現在許多有源晶振是表貼的,體積和晶體相當,有的甚至比許多晶體還要小。幾點注意事項:
                1、需要倍頻的DSP需要配置好PLL周邊配置電路,主要是隔離和濾波;
                2、20MHz以下的晶體晶振基本上都是基頻的器件,穩定度好,20MHz以上的大多是諧波的(如3次諧波、5次諧波等等),穩定度差,因此強烈建議使用低頻的器件,畢竟倍頻用的PLL電路需要的周邊配置主要是電容、電阻、電感,其穩定度和價格方面遠遠好于晶體晶振器件;
                3、時鐘信號走線長度盡可能短,線寬盡可能大,與其它印制線間距盡可能大,緊靠器件布局布線,必要時可以走內層,以及用地線包圍;
                4、通過背板從外部引入時鐘信號時有特殊的設計要求,需要詳細參考相關的資料。此外還要做一些說明:總體來說晶振的穩定度等方面好于晶體,尤其是精密測量等領域,絕大多數用的都是高檔的晶振,這樣就可以把各種補償技術集成在一起,減少了設計的復雜性。試想,如果采用晶體,然后自己設計波形整形、抗干擾、溫度補償,那樣的話設計的復雜性將是什么樣的呢?我們這里設計射頻電路等對時鐘要求高的場合,就是采用高精度溫補晶振的,工業級的要好幾百元一個。特殊領域的應用如果找不到合適的晶振,也就是說設計的復雜性超出了市場上成品晶振水平,就必須自己設計了,這種情況下就要選用晶體了,不過這些晶體肯定不是市場上的普通晶體,而是特殊的高端晶體,如紅寶石晶體等等。更高要求的領域情況更特殊,我們這里在高精度測試時采用的時鐘甚至是原子鐘、銣鐘等設備提供的,通過專用的射頻接插件連接,是個大型設備,相當笨重。
               
                晶振:即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時鐘振蕩器的統稱。不過由于在消費類電子產品中,諧振器用的更多,所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指鐘振。
               
               
                本文介紹了一些足以表現出一個晶體振蕩器性能高低的技術指標,了解這些指標的含義,將有助于通訊設計工程師順利完成設計項目,同時也可以大大減少整機生產廠家的采購成本。----總頻差:在規定的時間內,由于規定的工作和非工作參數全部組合而引起的晶體振蕩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采用。例如:精密制導雷達。----頻率溫度穩定度:在標稱電源和負載下,工作在規定溫度范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:規定溫度范圍內測得的最高頻率
                ----fmin:規定溫度范圍內測得的最低頻率
                ----fref:規定基準溫度測得的頻率----說明:采用fTref指標的晶體振蕩器其生產難度要高于采用fT指標的晶體振蕩器,故fTref指標的晶體振蕩器售價較高。----幾種電子系統使用的晶體振蕩器典型頻率溫度穩定度指標見下表:----表中有一部分頻率溫度穩定度指標應是帶隱含基準溫度的頻率溫度穩定度指標,但沒表示出來。(1ppm=1×10-6;1ppb=1×10-9)。----頻率穩定預熱時間:以晶體振蕩器穩定輸出頻率為基準,從加電到輸出頻率小于規定頻率允差所需要的時間。----說明:在多數應用中,晶體振蕩器是長期加電的,然而在某些應用中晶體振蕩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(尤其是對于在苛刻環境中使用的軍用通訊電臺,當要求頻率溫度穩定度≤±0.3ppm(-45℃~85℃),采用OCXO作為本振,頻率穩定預熱時間將不少于5分鐘,而采用DTCXO只需要十幾秒鐘)。----頻率老化率:在恒定的環境條件下測量振蕩器頻率時,振蕩器頻率和時間之間的關系。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,可用規定時限后的最大變化率(如±10ppb/天,加電72小時后),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很少采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蕩器每天的頻率老化,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小時后),±30ppb~±2ppm(第一年),±0.3ppm~±3ppm(十年)。----頻率壓控范圍:將頻率控制電壓從基準電壓調到規定的終點電壓,晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。----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)。壓控頻率響應范圍:當調制頻率變化時,峰值頻偏與調制頻率之間的關系。通常用規定的調制頻率比規定的調制基準頻率低若干dB表示。----說明:VCXO頻率壓控范圍頻率響應為0~10kHz。----頻率壓控線性:與理想(直線)函數相比的輸出頻率-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----單邊帶相位噪聲£(f):偏離載波f處,一個相位調制邊帶的功率密度與載波功率之比。 晶體振蕩器概述一、晶體振蕩器類型:
                1、普通晶體振蕩器PackagedCrystalOscillator(PXO)最簡單和最適用的、其基本控制元件為晶體元件的振蕩器。由于不采用溫度控制和溫度補償方式,它的頻率-溫度特性主要由所采用的晶體元件來確定。
                2、電壓控制晶體振蕩器VoltageControlledCrystalOscillator(VCXO)用外加控制電壓偏置或調制其頻率輸出的晶體振蕩器。VCXO的頻率-溫度特性類似于PXO,主要由所采用的晶體元件來確定。
                3、溫度補償晶體振蕩器TemperatureCompensatedCrystalOscillator(TCXO)包括數字補償晶體振蕩器(DCXODigitallyCompensatedCrystalOscillator)和微機補償晶體振蕩器(MCXOMicrocomputerCompensatedCrystalOscillator)。器件內部采用模擬補償網絡或數字補償方式、利用晶體負載電抗隨溫度的變化而補償晶體元件的頻率-溫度特性,以達到減少其頻率-溫度偏移的晶體振蕩器。
                4、恒溫控制晶體振蕩器OvenControlledCrystalOscillator(OCXO)至少是將晶體元件置于隔熱罩里(如恒溫槽)控制其溫度,以使晶體溫度基本維持不變的晶體振蕩器。
                5、電壓控制-溫補晶體振蕩器(VCTCXO)溫度補償晶體振蕩器和電壓控制晶體振蕩器結合。
                6、電壓控制-恒溫晶體振蕩器(VCOCXO)恒溫晶體振蕩器和電壓控制晶體振蕩器結合。
                二、晶體振蕩器主要參數
                ★頻率準確度:在標稱電源電壓、標稱負載阻抗、基準溫度(252℃)以及其他條件保持不變,晶體振蕩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,在規定溫度范圍內晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對于溫度范圍內輸出頻率極值之和的允許頻偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);
                ★頻率調節范圍:通過調節晶振的某可變元件改變輸出頻率的范圍。頻率調節的作用是:
               ?、賹⑤敵鲱l率調節到該頻率范圍內的某一預定值;
               ?、谟捎诶匣蚱渌?,晶體振蕩器的輸出頻率產生偏移,將輸出頻率調到規定值。
                ★調頻(壓控)特性:包括調頻頻偏、調頻靈敏度、調頻線性度。
               ?、僬{頻頻偏:壓控晶體振蕩器控制電壓由標稱的最大值變化到最小值時輸出頻率差。
               ?、谡{頻靈敏度:壓控晶體振蕩器變化單位外加控制電壓所引起的輸出頻率的變化量。
               ?、壅{頻線性度:是一種與理想直線(最小二乘法)相比較的調制系統傳輸特性的量度。通常是以在規定范圍內偏離理想直線的百分數表示
                ★負載特性:其他條件保持不變,負載在規定變化范圍內晶體振蕩器輸出頻率相對于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范圍內晶體振蕩器輸出頻率相對于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)關系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,由于元件(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。對于高穩定晶振,由于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。如:10-8/日或10-6/年等。
                ★日波動:指振蕩器經過規定的預熱時間后,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,振蕩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—載波頻率如何選擇晶振 晶振的選擇注意某些參數,設計工程師即可選擇到適合應用的振蕩器
                ----今天無數電子線路和應用需要精確定時或時鐘基準信號。晶體時鐘振蕩器極為適合這方面的許多應用。
                ----時鐘振蕩器有多種封裝,它的特點是電氣性能規范多種多樣。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)、恒溫箱晶體振蕩器(OCXO),以及數字補償晶體振蕩器(DCXO)。每種類型都有自己的獨特性能。
                ----頻率穩定性的考慮----晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內的穩定性,它是決定振蕩器價格的重要因素。穩定性愈高或溫度范圍愈寬,器件的價格亦愈高。
                ----設計工程師要慎密決定對特定應用的實際需要,然后規定振蕩器的穩定度。指標過高意味著花錢愈多。
                ----對于頻率穩定度要求±20ppm 或以上的應用,可使用普通無補償的晶體振蕩器。對于成于±1 至±20ppm 的穩定度,應該考慮TCXO 。對于低于±1ppm 的穩定度,應該考慮OC
                XO 或DCXO 。
                ----輸出----必需考慮的其它參數是輸出類型、相位噪聲、抖動、電壓穩定度、負載穩定性、功耗、封裝形式、沖擊和振動、以及電磁干擾(EMI)。晶振器可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應用來說也要作出規定。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定度的真實量度。它可測量到中央頻率的1Hz 之內和通常測量到1MHz 。
                ----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。采用鎖相環合成器產生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環技術的振蕩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。許多應用,例如通信網絡、無線數據傳輸、ATM 和SONET 要求必需滿足嚴格的拌動指標。需要密切注意在這些系統中應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。設計者應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動15pF 的振蕩器在驅動50pF 時會有好的表現。在超過建議的電源電壓下工作的振蕩器亦會呈現壞的波形和穩定性。
                ----對于需要電池供電的器件,一定要考慮功耗。引入3.3V 的產品必然要開發在3.3V 下工作的振蕩器。----較低的電壓允許產品在低功率下運行?,F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5V 器件的穿孔式振蕩器正在重新設計,以便在3.3V 下工作。
                ----封裝----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。例如,M-tron 公司的M3L/M5L 系列表面貼裝振蕩器現在采用3.2×5.0×1.0mm 的封裝。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。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----振蕩器實際應用的環境需要慎重考慮。例如,高的振動或沖擊水平會給振蕩器帶來問題。
                ----除了可能產生物理損壞,振動或沖擊可在某些頻率下引起錯誤的動作。這些外部感應的擾動會產生頻率跳動、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。----對于要求特殊EMI 兼容的應用,EMI 是另一個要優先考慮的問題。除了采用合適的P C 母板布局技術,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較好的EMI 特性。
                ----對于70MHz 以下的頻率,建議使用HCMOS 型的振蕩器。對于更高的頻率,可采用ECL 型的振蕩器。ECL 型振蕩器通常具有最好的總噪聲抑制,甚至在10 至100MHz 的較低頻率下,ECL 型也比其它型的振蕩器略勝一籌

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