晶振的原理与作用.docx

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1、晶振的基本原理及特性晶振一般采用如图1a的电容三端式（考毕兹）交流等效振荡电路；实 际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般 用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理; 把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co, C1, L1, RR是晶 体的等效电路。图1晶振电路及其等效摺路分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的：决定振荡频 率的整个槽路电容C=Cbe,Cce,Cv三个电容串联后和Co并联再和 C1串联。可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容 的作用就越小。因而能压控”的频率范围也越小。实际上，由于 很小（1E-15量级）

2、，Co不能忽略（1E-12量级，几PF）。所以，Cv变 大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的 作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大， 非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压（Cbe上的电压） 却越来越小，最后导致停振。采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化 范围也就越小。晶振的指标总频差：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偏差。说明：总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电 压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。一般只在对短期频率 稳定度关心，

3、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。频率稳定度：任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已一个 晶振的输出频率随时间变化的曲线如图2。图中表现出频率不稳定的 三种因素：老化、飘移和短稳。图2晶振输出频率随时间变化的示意图曲线1是用0.1秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳；曲线3是用100秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移；曲线4是用1天一次测量的情况。表现了晶振的老化。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 I (fmax-f

4、ref)/fref 1,1 (fmin-fref)/fref I 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。开机特性（频率稳定预热时间）：指开机后一段时间如5分钟）的频 率到开机后另一段时间（如1小时）的频率的变化率。表示了晶振达到 稳定的速度。这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用。说明：在多数应用中，晶体振荡器是长期加

5、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（-45C85C），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MCXO只需要十几秒钟）。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，因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定 时限后的最大变化率（如tmppb/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）

6、 来表示。晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结 构工艺缺陷等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳定，一种叫“应 力补偿”的晶体切割方法/SC切割法）使晶体有较好的特性。污染物和残留气体的分子会沉积在晶体片上或使晶体电极氧化，振荡 频率越高，所用的晶体片就越薄，这种影响就越厉害。这种影响要经 过一段较长的时间才能逐渐稳定，而且这种稳定随着温度或工作状 态的变化会有反复一一使污染物在晶体表面再度集中或分散。因此， 频率低的晶振比频率高的晶振、工作时间长的晶振比工作时间短的 晶振、连续工作的晶振比断续工作的晶振的老化率要好。说明：TCXO的频率老化率为：0.2ppm2ppm

7、（第一年）和1ppm5ppm （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：0.5ppb10ppb/ 天（加电 72 小时后），30ppb2ppm（第一年），0.3ppm3ppm（十年）。短稳：短期稳定度，观察的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1 秒、10秒。晶振的输出频率受到内部电路的影响（晶体的Q值、元器件的噪音、 电路的稳定性、工作状态而产生频谱很宽的不稳定。测量一连串 的频率值后，用阿伦方程计算。相位噪音也同样可以

8、反映短稳的情况（要有专用仪器测量）。重现性：定义：晶振经长时间工作稳定后关机，停机一段时间1（如 24小时），开机一段时间t2（如4小时），测得频率fl，再停机同一段 时间t1，再开机同一段时间t2,测得频率f2。重现性=（f2-f1）/f2。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-2ppm，在+ 4.5V频率控制电压时频率改变量为+2.1ppm，则VCXO电压控制频 率压控范围表示为：2ppm（2.5V2V）斜率为正，线

9、性为 + 2.4%。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010kHz。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频率压控线性为占10%, 20%o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)x100%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

10、心电压频率单边带相位噪声(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。输出波形：从大类来说，输出波形可以分为方波和正弦波两类。方波主要用于数字通信系统时钟上，对方波主要有输出电平、占空比、 上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。随着科学技术的迅猛发展，通信、雷达和高速数传等类似系统中，需 要高质量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。因为一个带有寄 生调幅及调相的载波信号(不干净的信号)被载有信息的基带信号 调制后，这些理想状态下不应存在的频谱成份(载波中的寄生调制) 会导致所传输的信号质量及数传误码率明显变坏。所以作为所传输 信号的载体，载波信号的十净程度（频谱纯度）对

11、通信质量有着直接 的影响。对于正弦波，通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指 标。晶振的分类根据晶振的功能和实现技术的不同，可以将晶振分为以下四类：1）恒温晶体振荡器（以下简称OCXO）这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于 恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围 内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用 于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直 放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户 需要，该类型晶振可以带压控引脚。OCXO的工作原理如下图3所 示：图3恒温晶体振荡器原理框图OCXO的主

12、要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所 有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较 好。主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正 常工作等。我公司生产的此类晶振的典型指标如下：甄定顼率:T.10MHz100MHz输出波形：正弦波/方波正弦波正弦波杂散：忧于-80 dBm忧于-T5dBm忧于-TSdBm日老化率：i5E-10i2E-9压控范围：7E-72E-6此E-6温度稳定度：lE-82E-8i5E-8窸稳：1E-11/S5E-11/SlE-10/s2）温度补偿晶体振荡器（以下简称TCXO）。其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是

13、通 过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达 到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿， 随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大TCXO开始出现，这种数 字化补偿的TCXO又叫DTCXO,用单片机进行补偿时我们称之为 MCXO,由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到 了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工 领域和使用环境恶劣的场合。在广大研发人员的共同努力下，我公司 自主开发出了高精度的MCXO，其设计原理和在世界范围都是领先的，配以高度自动化的生产测试系统，其月产可以达到5000只， 其设计原理如图4。图4 MCXO数字

14、温补晶振原理框图这类型晶振的典型的应用指标如下：额定频率和6. 4MHz97.536MHz输出波形.：正弦波正弦波杂散：忧于-75dBm忧于-TSdBi日老化率：lE-8微调范围：2E-6iE-6温度稳定度:lE-82E-83)普通晶体振荡器(SPXO)。这是一种简单的晶体振荡器，通常称为 钟振，其工作原理为图3中去除“压控、“温度补偿和“AGC”部分，完 全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的 场合。4）压控晶体振荡器（VCXO）。这是根据晶振是否带压控功能来分类， 带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO,以上三种类型的晶振都可以带压控端口。（end）晶振原理 作者loug

15、uofa日期2006-11-2823:00:00今天调电路碰到了一些关于晶振的问题，又重新翻了一遍晶振的相关 知识：无源晶体与有源晶振的区别、应用范围及用法：1、 无源晶体无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet 上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变 的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种 电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较 低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产 品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质 量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、

16、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。 建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。2、有源晶振一一有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好， 比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使 用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电 阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法:一脚 悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。相对于无源晶体， 有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平， 灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还 是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚

17、至是高档的温度 补偿晶振。有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如 TI的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在 许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要 小。几点注意事项：1、需要倍频的。$?需要配置好PLL周边配置电路，主要是隔离和滤 波；2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，20MHz 以上的大多是谐波的（如3次谐波、5次谐波等等），稳定度差，因 此强烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置 主要是电容、电阻、电感，其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器 住3、时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，

18、与其它印制线间距 尽可能大，紧靠器件布局布线，必要时可以走内层，以及用地线包围；4、通过背板从外部引入时钟信号时有特殊的设计要求，需要详细参 考相关的资料。此外还要做一些说明：总体来说晶振的稳定度等方面好于晶体，尤其是精密测量等领域， 绝大多数用的都是高档的晶振，这样就可以把各种补偿技术集成在一 起，减少了设计的复杂性。试想，如果采用晶体，然后自己设计波 形整形、抗干扰、温度补偿，那样的话设计的复杂性将是什么样的呢？ 我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场合，就是采用高精度温 补晶振的，工业级的要好几百元一个。特殊领域的应用如果找不到合适的晶振，也就是说设计的复杂性超出 了市场上成品晶振水平，

19、就必须自己设计了，这种情况下就要选用晶 体了，不过这些晶体肯定不是市场上的普通晶体，而是特殊的高端晶 体，如红宝石晶体等等。更高要求的领域情况更特殊，我们这里在高精度测试时采用的时钟甚 至是原子钟、铷钟等设备提供的，通过专用的射频接插件连接是个 大型设备，相当笨重。、晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不 过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把 晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指钟振。2、分类。首先说一下谐振器。谐 振器一般分为插件Dip）和贴片（SMD）。插件中又分为HC-49U、 HC-49U/S、音叉型（圆柱）。HC-49U 一般称49U，

20、有些采购俗称“高 型”，而HC-49U/S 一般称49S，俗称“矮型”。音叉型按照体积分 可分为3*8, 2*6, 1*5, 1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。 例 如 7*5（0705）、6*3.5（0603），5*3.2（5032）等等。脚位有 4pin和2pin之分。而振荡器也是可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。 例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin,半尺寸的又称为正方形 或者8pin。不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内 部核心IC的脚位数，振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分， 又可分为OSC （普通钟振），TCXO （温度补偿）

21、，VCXO （压控），OCXO（恒温）等等。3、基本术语。我想这也是很多采购同学比较模糊的地方。这里我选 了一些常用的谐振器术语拿来做一下解释。Frequency Tolerance （调整频差）：在规定条件下，在基准温度（252C ）与标称频率允许的偏差。一般用PPm （百万分之）表示。Frequency Stability（温度频差）：指在规定的工作温度范围内，与 标称频率允许的偏差。用PPm表示。Aging （年老化率）：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的 相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。Shunt Capacitance （静电容）：等效电路中与串联臂并接的电容， 也

22、叫并电容，通常用C0表示。Load Capacitance （负载电容）：与晶体一起决定负载谐振频率珏 的有效外界电容，通常用CL表示。一般最关注的参数有2个，即调整频差，负载电容。有一部分对温度 频差有要求。如果工作温度范围比较广，则会对工作温度范围有所要 求，即所谓宽温。4、选用。主要讲讲谐振器。理论上来说，只要参数确定，选任何一种型号都是可以正常使用的。例如49U和49S替换，49S和圆柱以及 和贴片替换，都是没有问题的。但在实际选择中会根据电路特点， 成本以及便利性来考量和选择。一般来说，简单的应用中主要都是从 成本在考虑。但是有些产品或者电路会对晶振的等效电阻，激励功 率等等提出要求

23、，所以就会在不同的型号中加以选择。另外，贴片则 主要是为了适应产品日益小型化和提高生产效率的要求听到有些采 购朋友说，只能选49S而不能用49U或者反之，这是一个小误区。 呵呵。而钟振的选择则主要决定产品电路的特性的要求，一般来说钟振在精密性以及需要达到相关应用的要求会更好。例如手机，通信机站，卫 星等等。晚上才回来看到你的问题。先回答一个，呵呵1谐振器和钟振他们的却别在于谐振器是最简单的没有任何补偿的振 荡器，而我们通常说的钟振是由一个谐振器加上ic组成一个回路而 实现其自身的功能。以vcxo为例：压控晶体振荡器（VCXO）是通过 红外加控制电压使振荡效率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。 VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成，其工作原理 是通过控制电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器 的频率，以达到频率调制的目的oVCXO大多用于锁相技术、频率负反 馈调制的目的。而决定如何选用也应该很清楚了吧？