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晶振、晶体、时钟概念详解

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-05-31

  有的RD称其为晶振:石英晶体,是无源的两个脚的,没有方向,需要IC或其它外部晶体振荡器输入,才产生频率,是无方向的。晶体还需要反向器,负载电容(loading capacitor)才可组成振荡器.石英晶体元件由石英晶体片和外壳组成一种无源压电元件,俗称晶体、晶振,我国早期称晶体谐振器。由此可见正常石英晶体元件(两脚),是无方向性的,但当一个引出端(引脚)与外壳相连导通时就有可能有方向性了。

  crystal是一种机电器件,是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性,如果给他通电,他就会产生机械振荡,反之,如果给他机械力,他又会产生电,这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点,其振荡频率与他们的形状,材料,切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定,热膨胀系数非常小,其振荡频率也非常稳定,由于控制几何尺寸可以做到很精密,因此,其谐振频率也很准确。

  -请问反向器,负载电容(loading capacitor)是做什么用的??为什么要?

  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。VCXO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?

  2。钟振(oscillator),有的RD也称其为晶振,一般有四个脚,是有方向的,有电源、地和时钟输出引脚,内部有晶体和振荡电路,不需要输入输入信号源,直接可产生频率。出厂时频率已校准。特点:应用方便、频率稳定、电磁辐射少。但价格比晶体贵些。石英晶体振荡器简称晶振,一般是由石英晶体元件、IC和阻容及外壳组成有源功能组件,加电即可输出稳定频率信号。对晶振一般为4脚(引出端),都有方向性,样本或说明书中有标注。

  谐振器(Resonator):在电路中等效作用是一个具有选频作用的网络,是振荡电路核心元器件,决定了振荡器的频率稳定度(Frequency stability)种类有:石英晶体,陶瓷,LC,介质等材料的谐振器。石英晶体与放大电路配合如果行成正反馈,并且回路放大系数大于一则产生自激振荡信号。这就是石英晶体器的基本原理。

  选用-------根据你所用的IC的具体要求,1)只能用外部时钟,则选钟振,或用晶振+反相器+电容来组成振荡器,按价钱和方便来取,2)若可用外部时钟,也可用晶振,那就用晶振,3)若只能用晶振,就选晶振

  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、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——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。

  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件;

  3、时钟信号走线长度尽可能短,线宽尽可能大,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、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,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。

  ----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。

  ----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。

  ----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。

  ----表中有一部分频率温度稳定度指标应是带隐含基准温度的频率温度稳定度指标,但没表示出来。(1ppm=1×10-6;1ppb=1×10-9)。

  ----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)。

  ----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)。

  ----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)。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。

  ----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%。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):

  ----f0:压控中心电压频率----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。

  一、晶体振荡器类型:1、普通晶体振荡器PackagedCrystalOscillator(PXO)最简单和最适用的、其基本控制元件为晶体元件的振荡器。由于不采用温度控制和温度补偿方式,它的频率-温度特性主要由所采用的晶体元件来确定。

  2、电压控制晶体振荡器VoltageControlledCrystalOscillator(VCXO)用外加控制电压偏置或调制其频率输出的晶体振荡器。VCXO的频率-温度特性类似于PXO,主要由所采用的晶体元件来确定。

  4、恒温控制晶体振荡器OvenControlledCrystalOscillator(OCXO)至少是将晶体元件置于隔热罩里(如恒温槽)控制其温度,以使晶体温度基本维持不变的晶体振荡器。

  5、电压控制-温补晶体振荡器(VCTCXO)温度补偿晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。

  6、电压控制-恒温晶体振荡器(VCOCXO)恒温晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。

  二、晶体振荡器主要参数★频率准确度:在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(252℃)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。频率调节的作用是:

  ②由于老化或其他原因,晶体振荡器的输出频率产生偏移,将输出频率调到规定值。

  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。通常是以在规定范围内偏离理想直线的百分数表示

  ★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。

  ★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。如:10-8/日或10-6/年等。

  ★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:

  注意某些参数,设计工程师即可选择到适合应用的振荡器----今天无数电子线路和应用需要精确定时或时钟基准信号。晶体时钟振荡器极为适合这方面的许多应用。

  ----时钟振荡器有多种封装,它的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)、恒温箱晶体振荡器(OCXO),以及数字补偿晶体振荡器(DCXO)。每种类型都有自己的独特性能。

  ----频率稳定性的考虑----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。

  ----设计工程师要慎密决定对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。

  ----对于频率稳定度要求±20ppm或以上的应用,可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于成于±1至±20ppm的稳定度,应该考虑TCXO。对于低于±1ppm的稳定度,应该考虑OCXO或DCXO。

  ----输出----必需考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压稳定度、负载稳定性、功耗、封装形式、冲击和振动、以及电磁干扰(EMI)。晶振器可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。它可测量到中央频率的1Hz之内和通常测量到1MHz。

  ----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要求必需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坏的波形和稳定性。

  ----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。现今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,以便在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。例如,M-tron公司的M3L/M5L系列表面贴装振荡器现在采用3.2×5.0×1.0mm的封装。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。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----振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如,高的振动或冲击水平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PCB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。

  ----对于70MHz以下的频率,建议使用HCMOS型的振荡器。对于更高的频率,可采用ECL型的振荡器。ECL型振荡器通常具有最好的总噪声抑制,甚至在10至100MHz的较低频率下,ECL型也比其它型的振荡器略胜一筹。

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