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晶体谐振器与振荡器
发布时间:7/12/2013 12:31:48 PM

一、石英晶体谐振器
A、主要指标
1.频率 f        
2.频率公差   
3.切型 AT BT SC      
4.泛音次数  基频  三次泛音 五次泛音 七次泛音   
5.电阻 Rr RL     
6.负载电容  CL
7.静电容  Co   
8.动态电容 C1 
9.电容比 r =Co / C1  
10.频率牵移 Ts ( ppm / pF ) 
11.Q值
12.DLD  
13.老化 
14.寄生抑制 
15.频率温度特性(F-T)
B、有源晶振与无源晶振
  石英晶片之所以能当为振荡器使用,是基于它的压电效应:在晶片的两个极上加一电场,会使晶体产生机械变形;在石英晶片上加上交变电压,晶体就会产生机械振动,同时机械变形振动又会产生交变电场,虽然这种交变电场的电压极其微弱,但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)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”。

在电子学上,通常将含有晶体管元件的电路称作“有源电路”(如有源音箱、有源滤波器等),而仅由阻容元件组成的电路称作“无源电路”。电脑中的晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振的英文名称不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振是有2个引脚的无极性元件,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;有源晶振有4只引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件,因此体积较大。

二、晶体振荡器:
A、晶体振荡器是一种时间/频率器件,由晶体谐振器和振荡电路组成。

B、晶体振荡器的分类:

按照其功能类型可分为四种:
SPXO  简单封装晶体振荡器
VCXO  电压控制晶体振荡器
TCXO  温度控制晶体振荡器 温度补偿晶体振荡器
OCXO  恒温晶体振荡器 温度控制晶体振荡器

C、常规批量生产可达到的稳定度:
               SPXO      VCXO     TCXO        OCXO
 0 to 70℃     10ppm    10ppm   0.1ppm    0.005ppm
-20 to 70℃    25ppm    25ppm   0.3ppm    0.01 ppm
-40 to 85℃    30ppm    30ppm   0.5ppm    0.03 ppm
-55 to 125℃   50ppm    50ppm   1.0ppm      N/A

 

工作温度范围内的稳定度要求 典型应用            振荡器类型
±0.2ppm          电信传输设备的时钟基准          OCXO
±0.2~±0.5ppm 电信传输设备的Stratum3时钟基准   OCXO,带模拟集成电路的TCXO
±0.5~±1.0ppm 军用无线电设备,E-911蜂窝电话定位器带模拟集成电路的TCXO
±1.0~±2.5ppm 移动无线电设备(例如应急通信设备) 带模拟集成电路的TCXO
±2.5~±10ppm    移动电话 带电热调节的TCXO
±10~±20ppm     传真机 TCXO,VCXO,SPXO   
> ±20ppm   计算机时钟信号源 SPXO/XO

D、晶体振荡器主要技术指标:
1)标称频率
2)中心频率偏差
3)频率调整范围(机械或压控)
4)工作温度范围
5)压控特性(电压范围、极性、线性度、压控输入阻抗)
6)输出波形(正弦波; 方波:上升/下降沿时间、占空比、高/低电平)
7)工作电流、功耗
8)电压变化频率稳定度
9)负载变化频率稳定度
10)温度频率稳定度
11)负载能力
12)频率老化(长期频率稳定度)
13)短期频率稳定度
14)相位噪声
15)开机特性

E、晶体振荡器-SPXO:
简单封装晶体振荡器,没有电压控制和温度补偿,频率温度特性取决于晶体单元,
称为SPXO(Simple Packaged Crystal Oscillator )或时钟(Clock)。

F、温度补偿晶体振荡器-TCXO:
1.直接温度补偿晶体振荡器
2.间接温度补偿晶体振荡器

G、恒温晶体振荡器 - OCXO
近年来,由于技术的发展,OCXO多采用功率器件直接加热的方法,只有一些指标要求很高的OCXO才使用恒温槽。

H、OCXO主要技术指标定义的IEC标准
1)标称频率(Nominalfrequency)
振荡器标明的工作频率。
2)中心频率偏差 (Frequency accuracy)
在基准点温度环境(25±2 ℃)和中心控制电压时,测得的频率值与标称频率的偏差。
3)频率调谐范围(Frequencyadjustmentrange)
用某种可变元件使振荡器频率能够改变的频率范围。
注:调整的目的:
1.把频率调到规定调整范围内的任一特定值。
2.由于老化和其它条件变化而引起频率偏移后,能够把振荡器频率修正到规定值。
  调整的方式:
3.调节方式有机械调节和电压调节两种
4.可变元件通常指变容二极管、多圈电位器等。
4)工作温度范围 (Operating temp. range)
振荡器能够正常工作,其频率及其它输出信号性能均不超过规定的允许偏差的温度范围。
注:
1.工作温度范围的下限越低,振荡器功耗越大,同时频率温度稳定度越难实现。

2.工作温度范围的上限越高,晶体拐点设置越高,晶体成本上升越多。
5)压控特性(电压范围、极性、线性、压控输入阻抗)
当控制电压变化时,引起的振荡器输出的频率、波形特征等电特性的变化。
注:
1.电压范围:用来调节频率的电压的可调范围。常见的有0~3.3V, 0.3~3.0V,0~5V, 0.5~4.5V等。 

2.压控范围:压控电压在电压范围内变化的时候,振荡器的频率能够变化的范围。
3.极性:当振荡器的频率随压控电压的增加而增加的时候,压控极性为正极性,反之为负极性。
4.线性度:理想的压控电压和频率变化量的关系是线性的,但实际上总会有所偏差,这个偏差就是
表征理想程度的压控线性度,通常用百分比表示。
5.如果系统不能给出稳定的电压信号,或者对输出频率有严格的控制要求时,通常振荡器可以自己给
出经过稳压后的精准的电压供压控电压用,这个精准的电压就是参考电压。
6)输出波形(Output waveform)    正弦: 负载能力
方波:上升沿时间、下降沿时间、占空比、高/低电平
振荡器工作时输出的波形及波形的具体特性。
注:常见输出波形及输出特性指标:
1.正弦波(Sine):谐波抑制(Harmonic attenuation)、
杂波抑制(Noiseattenuation )、负载(Load)、输出幅度(Outputlevel)。
2.削峰正弦波(ClippingSine):负载(Load)、输出幅度(Outputlevel)。
3.方波(Square):又分为MOS和TTL两类输出。
负载(Load)、占空比(Dutycycle)、上升/下降时间(Rise/falltime)、
 高低电平(“1”and “0”level)。
7)工作电流、功耗 (Inputcurrent,powerconsumption)
8)频率温度稳定度 (Frequencystabilityovertemp.)
其它条件不变时,由于振荡器工作在规定的温度范围内引起的相对于基准温度时的频率偏移。
9)负载变化频率稳定度 (FrequencystabilityVsvoltage+/-5% )
其它条件不变时,由于负载阻抗在规定范围内变化引起的相对于规定的负载条件时的频率偏移。
10)电源变化频率稳定度 (FrequencystabilityVsLoad+/-10% )
其它条件不变时,由于电源电压在规定范围内变化引起的相对于规定的电源电压时的频率偏移。
11)老化率(长期频率稳定度)(Aging,longtermstability)
振荡器频率与时间之间的关系。
注:这种频率漂移是石英晶体或/和电路中的其它元器件的长期变化造成的,可以用规定时间间隔内平均频率的相对变化来表示。
频率老化是不可避免的。同时方向可能为正也可能为负。
又称为日老化率、长稳等。
12)短期频率稳定度(Short term stability)
振荡器短时间内的频率随机起伏程度。
注:以秒为单位,又称为秒基稳定度、秒稳、短稳等。
13)相位噪声(Phase noise)

振荡器短期频率稳定度的频域量度,通常用相应起伏功率谱密度SΨ(f) 表示,其中相位起伏函数为Ψ(f)=2πFt-2πF0t
注:抖动是振荡器短期频率稳定度的时域量度,实际上和相位噪声都是频率短期稳定度的一种度量方式。
14)其他指标:功耗,开机特性,重现性,可工作温度范围,抗机械冲击性能,抗电脉冲冲击性能,存储温度范围, 重力加速度频率稳定度,恒温报警,三态控制.

 


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