【導讀】石英晶體振蕩器是目前精確度和穩(wěn)定度最高的振蕩器,廣泛應用于全球定位系統(tǒng)（GPS）和移動通信等各種系統(tǒng)中。石英晶體振蕩器是由品質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？使用時又該如何選擇呢？接下來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、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等,共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會（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)量級的頻率精度,標準頻率1—100MHZ,頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施, 價格低廉,通常用作微處理器的時鐘器件。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,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。
溫度補償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償,頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級,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、雙向無線通信設備等。
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)境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級,對某些特殊應用甚至達到更高。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用到軍、民用通信電臺,微波通信設備,程控電話交換機,無線電綜合測試儀,BP機、移動電話發(fā)射臺,高檔頻率計數(shù)器、GPS、衛(wèi)星通信、遙控移動設備等。
它有多種封裝,特點是電氣性能規(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）、溫度補償晶體振蕩器（TCXO）、恒溫晶體振蕩器（OCXO）,以及數(shù)字補償晶體振蕩器（MCXO或DTCXO）,每種類型都有自己的獨特性能。
如果您需要使您的設備即開即用,您就必須選用VCXO或溫補晶振,如果要求穩(wěn)定度在0.5ppm以上,則需選擇數(shù)字溫補晶振（MCXO）。
模擬溫補晶振適用于穩(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。在不需要即開即用的環(huán)境下,如果需要信號穩(wěn)定度超過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,它是決定振蕩器價格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬,器件的價格亦愈高。工業(yè)級標準規(guī)定的-40～+75℃這個范圍往往只是出于設計者們的習慣,倘若-30～+70℃已經(jīng)夠用,那么就不必去追求更寬的溫度范圍。設計工程師要慎密決定特定應用的實際需要,然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)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(jù)目標產(chǎn)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(shù)曲線發(fā)生變化,也就是說在產(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(guī)定出來。對于工業(yè)產(chǎn)品,有時還需要提出振動、沖擊方面的指標,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
必須考慮的其它參數(shù)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,對于工業(yè)產(chǎn)品,有時還要考慮沖擊和振動、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特波形特性和用途。應該關注三態(tài)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(guī)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(wěn)定度的真實量度。它可測量到中心頻率的1Hz之內(nèi)和通常測量到1MHz。
晶體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(huán)合成器產(chǎn)生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術的振蕩器一般呈現(xiàn)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(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wěn)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(xiàn)。在超過建議的電源電壓下工作的振蕩器亦會呈現(xiàn)較差的波形和穩(wěn)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(chǎn)品必然要開發(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計,以便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。大普通信技術有限公司能夠根據(jù)客戶的需要制作各種類型、不同尺寸的晶體振蕩器（具體資料請參看產(chǎn)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(huán)境
晶體振蕩器實際應用的環(huán)境需要慎重考慮。例如,高強度的振動或沖擊會給振蕩器帶來問題。
除了可能產(chǎn)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(chǎn)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(yōu)先考慮的問題。除了采用合適的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蕩器。
一般來說,具有較慢上升/下降時間的振蕩器呈現(xiàn)較好的EMI特性。
檢測
對于晶振的檢測, 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(xiàn)。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, 那只能采用代換法了,這也是行之有效的。
晶振常見的故障有: (a)內(nèi)部漏電; (b)內(nèi)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,但這將取決于它的損壞程度。
總結
器件選型時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一步降低失效概率,帶來潛在的效益,這一點在比較產(chǎn)品價格的時候也要考慮到。要使振蕩器的“整體性能”趨于平衡、合理,這就需要權衡諸如穩(wěn)定度、工作溫度范圍、晶體老化效應、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格,而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。
注: 下面介紹了幾個足以表現(xiàn)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(chǎn)廠家的采購成本。
總頻差：在規(guī)定的時間內(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稱頻率的最大頻差。
說明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率常溫準確度、頻率老化率、頻率電源電壓穩(wěn)定度（電壓特性）和頻率負載穩(wěn)定度（負載特性）共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩(wěn)定度關心,而對其他頻率穩(wěn)定度指標不嚴格要求的場合采用。
頻率溫度穩(wěn)定度：在標稱電源和負載下,工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準溫度或帶隱含基準溫度的最大允許頻偏。
說明： fT=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
fTref ＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜,｜(fmin-fref)/fref｜]
fT：頻率溫度穩(wěn)定度(不帶隱含基準溫度) fTref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準溫度)
綜上所述，本文講解了石英晶體振蕩器分類及選用指南，相信大家對石英晶體振蕩器分類及選用指南的認識越來越深入。
本文來源于傳感器技術。
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