石英晶體振蕩器,石英晶體振蕩器電路

石英晶體振蕩器　

　頻率范圍很寬，頻率穩定度在10-4～10-12范圍內，經校準一年內可保持10-9的準確度，高質量的石英晶體振蕩器，在經常校準時，頻率準確可達10-11.高效能模擬與混合信號IC廠商Silicon Laboratories(芯科實驗室有限公司)日前推出業界第一款支持輸出頻率可編程的振蕩器(XO)和壓控振蕩器(VCXO)。Si570/1系列采用公司專利的DSPLL技術和業界標準的I2C接口，通過對I2C接口的操作，一顆器件就能產生10MHz到1.4GHz的任何輸出頻率，同時將均方根抖動幅度減少到0.3ps左右。Si570任意頻率XO和Si571任意頻率VCXO最適合需要彈性頻率源的高效能應用，包括下一代網絡設備、無線基站，測試與測量裝置、高畫質電視視頻基礎設施和高速數據采集裝置。
　　硬件設計人員過去必須用多個固定頻率XO、VCXO或壓控SAW振蕩器(VCSO)，才能開發出復雜系統所需的可變頻率架構，并讓它們以不同頻率操作。但這種方法的成本很高，需要復雜的模擬鎖相回路(PLL)設計和布局，還會延長新開發產品的上市時間。
　　Si570/1可編程XO和VCXO的彈性振蕩器能產生10MHz到1.4GHz的任何頻率，使得一顆器件就能取代多個固定頻率振蕩器，不僅簡化鎖相回路的設計與布局，還大幅減少元器件數目、系統成本和電路板面積。另外，由于Si570/1省下多個原本可能成為故障點的固定頻率振蕩器，所以系統會變得更可靠。
　　Si570/1能通過業界標準的I2C接口設定操作頻率，這使器件的編程設定和重新配置變得更簡單。Si570/1還能不限次數重新編程，讓系統設計人員將同一套時鐘頻率架構重復用于不同的最終應用，這能簡化設計和加速上市時間。
　　Si570/1采用業界標準和RoHS兼容的5×7毫米表面貼裝封裝，并支持所有常見的輸出信號格式(LVPECL、LVDS、CMOS和CML)。此系列包含三種不同速度等級的器件，分別是10MHz-1.4GHz、10-810MHz和10-215MHz。Si570任意頻率石英振蕩器還有±20ppm和±50ppm兩種不同的溫度穩定性規格可供選擇，Si571任意頻率壓控石英振蕩器則包含從±12ppm到±375ppm等多種不同壓控范圍(Absolute Pull Range)的器件，以便設計人員彈性選擇最適合其應用的器件。Si570/1的操作溫度范圍都是從-40至+85℃。
　　標稱頻率：振蕩器輸出的中心頻率或頻率的標稱值。
　　可選頻率范圍：我們所能提供的某種規格的振蕩器的可實現的頻率輸出。
　　頻率溫度穩定度：在指定溫度范圍內振蕩器的輸出頻率相對于25°C時測量值的最大允許頻率偏差。
　　老化：在確定時間內輸出頻率的相對變化。
　　輸出：振蕩器輸出的波形及功率。
　　占空比：反映輸出波形的對稱性，也就說，在一個周期內，高電平與低電平所占比例之比。
　　上升時間：方波從低電平轉換為高電平的時間。
　　下降時間：方波從高電平轉換為低電平的時間。
　　諧波：振蕩器在相對于輸出頻率諧振點處的抑制。
　　非諧波：振蕩器在相對于輸出頻率非諧振點處的抑制。
　　短期頻率穩定度：振蕩器在較短時間內輸出頻率的穩定性，通常為1秒。
　　相位噪聲：用于描述振蕩器的短期頻率波動，通常定義為載波發生某一頻率偏移是在1Hz帶寬內的單邊帶功率密度，單位為dBc/Hz。
　　電源電壓：加在振蕩器電源端（Vcc）的能夠使振蕩器正常工作的電壓。
　　電源電流：流過振蕩器電源端（Vcc）的總電流。
　　工作溫度范圍：能夠保證振蕩器輸出頻率及其它各種特性能滿座指標要求的溫度范圍。
　　石英晶體振蕩器特點
　　?? 在振蕩頻率上，閉合回路的相移為2nπ。
　　?? 當開始加電時，電路中唯一的信號是噪聲。滿足振蕩相位條件的頻率噪聲分量以增
　　大的幅度在回路中傳輸，增大的速率由附加分量，即小信號，回路益增和晶體網絡
　　的帶寬決定。
　　?? 幅度繼續增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非線性而減小或者由于某
　　一自動電平控制而被減小。
　　?? 在穩定狀態下，閉合回路的增益為1。
　　石英晶體振蕩器簡介
　　石英諧振器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產生機械振動，當交
　　變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線
　　圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩定度高等優點，被應用于家用電器和通信設備中。
　　石英諧振器按引出電極情況來分有雙電極型、三電極型和雙對電極型幾種。圖l為雙電極型石英諧振器的外形，盡管它們的體積有大有小、固有振蕩頻率有高有低，但在電路圖中均用圖1(b)符號表示。三電極型和雙對電極型石英諧振器的符號見圖。2。
　　石英諧振器因具有極高的頻率穩定性，故主要用在要求頻率十分穩定的振蕩電路中作諧振元件，如彩電的色副載波振蕩器、電子鐘表的時基振蕩器及游戲機中的時鐘脈沖振蕩器等，石英晶體成本較高，故在要求不太高的電路中一般采用陶瓷諧振元件。

電路特點：頻率穩定度高，可達10-6-10-11量級。

一、石英晶體的基本特性及其等效電路

1．壓電效應

石英晶體諧振器如圖所示。它是在晶片的兩個對面上噴涂一對金屬極板，引出兩個電極，加以封裝所構成。

壓電效應：晶片在電壓產生的機械壓力下，其表面電荷的極性隨機械拉力而改變的一種現象。如圖1(a)所示。

壓電諧振：外加交變電壓的頻率等于晶體固有頻率時，回路發生串聯諧振，電流振幅最大的一種現象。產生壓電諧振時的振蕩頻率稱晶體諧振器的振蕩頻率。圖1(b)所示。

2．符號和等效電路

符號如圖2(a)所示。當晶體不振動時，可用靜態電容CO來等效，一般約為幾個皮法到幾十皮法；當晶體振動時，機械振動的慣性可用電感L來等效，一般為10-3－10-2H；晶片的彈性可用電容C來等效，一般為10-2－10-1?pF；晶片振動時的損耗用R來等效，阻值約為102歐姆。由可知，品質因數Q很大，可達104－106。加之晶體的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關，其精度高而穩定。所以，采用石英晶體諧振器組成振蕩電路，可獲得很高的頻率穩定度。等效電路如圖2(b)所示，它有兩個諧振頻率。

(1)當L、C、R支路串聯諧振時，等效電路的阻抗最小，串聯諧振頻率為

由于C<

圖2(c)為石英晶體諧振器的電抗-頻率特性，在fs和fp之間為感性，在此區域之外為容性。

二、石英晶體振蕩電路

2．串聯型晶體振蕩電路

如圖4所示。晶體與電阻R串聯構成正反饋電路。當振蕩頻率等于晶體的固有頻率fs時，晶體阻抗最小，且為純電阻，電路滿足自激振蕩條件而振蕩，其振蕩頻率為f0=fs。否則不能振蕩。調節電阻R可獲得良好的正弦波輸出。

相關術語解釋

1、頻率準確度：在規定條件下，晶振輸出頻率相對于標稱頻率的允許偏離值。常用其相對值表示。

2、頻率穩定度：　

1時域表征

⑴ 在規定條件下，晶振內部元件由于老化而引起的輸出頻率隨時間的漂移。通常用某一時間間隔內的老化頻差的相對值來量度（如日、月或年老化率等）。

⑵ 日穩定度（或稱日波動）：指晶振的輸出頻率在24小時內的變化情況。通常用其最大變化的相對值來表示。

2頻域表征

⑴ 單邊相位噪聲功率譜密度，晶振輸出信號的頻譜中，用偏離載頻f Hz處每Hz帶寬內單邊相位噪聲功率與信號功率之比的分貝（dB）量，可寫作￡（f）單位為dB/Hz。

⑵ 頻譜純度：是量度晶振內部噪聲及雜散譜的尺度。通常用單邊噪聲功率譜密度來表示。

3、輸出波形：有正弦波和方波兩種。

4、輸出幅度：在接入額定負載的規定條件下，晶振輸出的均方根值電壓。

5、頻率溫度特性：當環境溫度在規定范圍內按預定方式變化時，晶振的輸出頻率產生的相對變化特性

6、壓控線性度：指壓控晶振輸出頻率與壓控電壓曲線偏離線性的程度。

應用指南

根據晶振的不同使用要求及特點，通常分為以下幾類：普通晶振、溫補晶振、壓控晶振、溫控晶振等。安裝晶振時，應根據其引腳功能標識與應用電路應連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。

在測試和使用時所供直流電源應沒有足以影響其準確度的紋波含量，交流電壓應無瞬變過程。測試儀器應有足夠的精度，連線合理布置，將測試及外圍電路對晶振指標的影響降至最低。

1、普通晶振（PXO）：是一種沒有采取溫度補償措施的晶體振蕩器，在整個溫度范圍內，晶振的頻率穩定度取決于其內部所用晶體的性能，頻率穩定度在10-5量級，一般用于普通場所作為本振源或中間信號，是晶振中最廉價的產品。

2、溫補晶振（TCXO）：是在晶振內部采取了對晶體頻率溫度特性進行補償，以達到在寬溫溫度范圍內滿足穩定度要求的晶體振蕩器。一般模擬式溫補晶振采用熱敏補償網絡。補償后頻率穩定度在10-7~10-6量級，由于其良好的開機特性、優越的性能價格比及功耗低、體積小、環境適應性較強等多方面優點，因而獲行了廣泛應用。

3、 壓控晶振（VCXO）：是一種可通過調整外加電壓使晶振輸出頻率隨之改變的晶體振蕩器，主要用于鎖相環路或頻率微調。壓控晶振的頻率控制范圍及線性度主要取決于電路所用變容二極管及晶體參數兩者的組合

4、 恒溫晶振（OCXO）：采用精密控溫，使電路元件及晶體工作在晶體的零溫度系數點的溫度上。中精度產品頻率穩定度為10-7~10-8，高精度產品頻率穩定度在10-9量級以上。主要用作頻率源或標準信號