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1、晶体振荡器 BasicColin Liu时钟与振荡器时钟是电路中脉搏。时钟电路的作用是向电路 各部分提供基准频率。它就像个标尺。时钟频 率不稳定会造成系统工作不稳定，出现各种问 题。时钟电路的核心是一个振荡器，必要时还包括 锁相环PLL。振荡器是一个由放大器和谐振回 路组成的正反馈电路。时钟源分类根据谐振回路的不同，时钟源可以分为两类 ：u基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷 谐振槽路；MEMS振荡器属于机械式。u基于相移电路的时钟源，如：RC (电阻、电 容)，LC (电感、电容)振荡器。最简单的时钟电路图1给出了两种分立的振荡器电路，其中图a为皮尔斯振荡器配置，用于 机械式谐振器件，如晶
2、振和陶瓷谐振槽路。图b为简单的RC反馈振荡器机械式谐振器与RC振荡器的主要区别 uRC、LC振荡器能够快速启动，成本也比较低 ，但通常在整个温度和工作电源电压范围内 精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范 围内变化。u机械式谐振器目前的市场霸主是晶体振荡器 ，其特点是精度很高。以目前的工艺，常见 的有50ppm, 20pmm, 10ppm, 2ppm, 1ppm, 0.5ppm (ppm-百万分之x)。晶振的特性 晶振是石英振荡器的简称。石英晶体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。石英晶体有一个很重要的特点，其振荡频率与形 状、材
3、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。石英谐振原理-压电效应石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于其压电效 应。从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电 场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加 机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称 为压电效应。是机-电-机-电.的不断转换如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振 动，同时机械变形振动又会产生交变电场。这种机械 振动的振幅很小，其振动频率很稳定。当外加交变电 压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）
4、相 等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压 电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。 其特 点是频率稳定度很高。石英晶体的等效电路u石英晶体在电气上它可以等效成一个电感、电阻、电容串联再 并联一个电容的二端网络。电工学上这个网络有两个谐振点， 以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并 联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接 近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只 要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这 个并联谐振电路加到一个反馈放大电路中就可以构成正弦波振 荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他 元件的参数
5、变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化 。u在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的谐振回路。由 于石英晶体的损耗非常小，即Q 值非常高，做振荡器用时，可 以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡 削的带通或带阻曲线。 石英晶体的等效电路影响振荡器工作的环境因素影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰 (EMI)、机械震动与冲击、温度和湿度。这些 因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性 ，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振 。 所以，晶振的封装很讲究，金属、陶瓷外壳 起屏蔽和机械稳定作用。无源晶振和有源晶振市场上晶体振荡器分为无源有源晶振两种类型。无源晶 振与有源晶振（谐振
6、）的英文名称不同，无源晶振为 crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器 ）。无源晶振实际上是一颗石英晶体，需要借助于时钟 电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源 晶振”这个说法并不准确；有源晶振-振荡器模块，才是 一个完整的振荡器。振荡器的性能受环境条件和电路元件选择的影响较大。 需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。相比 之下，有源晶振（钟振）更加稳定，工程应用更加方便 。 无源晶振有源晶振石英晶体振荡器的主要参数u晶振的主要参数有标称频率、频率精度、频率稳定度、相位抖动 Jitter/相位噪声、负载电容、工作电压、工作电流等。u不同的晶振标称频
7、率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。 u频率精度从10(-4)量级到10(-10)量级不等。u稳定度从0.1到100ppm不等。u相位抖动Jitter /相位噪声Noise，如 10ps /-80dBcoffsetfrequ工作电压：5V，3.3V, 3.0V, 2.5V, 1.8V如何选择晶振u晶振的参数决定了晶振的品质和性能。不同 性能的晶振，价格也不同，要求越高，价格 也越贵。u在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶 振。通信网络、无线数据传输等系统就需要 更高要求的石英晶体振荡器。石英晶体振荡器分类国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分 为4类：普通晶体振荡（SPXO, Simp
8、le Clock Osc. ）电压控制式晶体振荡器（VCXO）温度补偿式晶体振荡（TCXO）恒温控制式晶体振荡（OCXO）数字补偿式晶体振荡器（DCXO）各种晶振的精度范围u普通晶体振荡器（SPXO）可产生10(-5)10(-4)量级的频率精度，标 准频率1100MHZ，频率稳定度是100ppm。SPXO没有采用任何温度频 率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从 21146mm及53.21.5mm。u电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10(-6)10(-5)量级，频率 范围130MHz。低容差振荡器的频率稳定度是50ppm。通常用于锁相环 路。u温度补偿式晶体振
9、荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿， 频率精度达到10(-7)10(-6)量级，频率范围160MHz，频率稳定度 为0.52.5ppm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等 。u恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消 除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10(-10)至10(-8)量级 ，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。晶振的缺点u受石英晶体自身的特性限制，比较脆弱，抗 震性能差；u由于切割尺寸难以继续缩小，频率难以继续 提高；u受封装限制，体积、价格难以继续降低。石英晶体振荡器市场规模TAM据统计报道，目前全球石英晶体振荡器市场年 规模约为30亿美元，每年生产100亿颗石英晶 体振荡器，应用涉及汽车、电视、摄像机、个 人电脑、便携式设备等等几乎一切电子设备。 The END！
