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(wěn)定度在10-4～10-12范圍內(nèi)，經(jīng)校準(zhǔn)一年內(nèi)可保持10-9的準(zhǔn)確度，高質(zhì)量的石英晶體振蕩器，在經(jīng)常校準(zhǔn)時(shí)，頻率準(zhǔn)確可達(dá)10-11.高效能模擬與混合信號(hào)IC廠商Silicon Laboratories(芯科實(shí)驗(yàn)室有限公司)日前推出業(yè)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(shù)和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，通過對(duì)I2C接口的操作，一顆器件就能產(chǎn)生10MHz到1.4GHz的任何輸出頻率，同時(shí)將均方根抖動(dòng)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(yīng)用，包括下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無線基站，測試與測量裝置、高畫質(zhì)電視視頻基礎(chǔ)設(shè)施和高速數(shù)據(jù)采集裝置。
　　硬件設(shè)計(jì)人員過去必須用多個(gè)固定頻率XO、VCXO或壓控SAW振蕩器(VCSO)，才能開發(fā)出復(fù)雜系統(tǒng)所需的可變頻率架構(gòu)，并讓它們以不同頻率操作。但這種方法的成本很高，需要復(fù)雜的模擬鎖相回路(PLL)設(shè)計(jì)和布局，還會(huì)延長新開發(fā)產(chǎn)品的上市時(shí)間。
　　Si570/1可編程XO和VCXO的彈性振蕩器能產(chǎn)生10MHz到1.4GHz的任何頻率，使得一顆器件就能取代多個(gè)固定頻率振蕩器，不僅簡化鎖相回路的設(shè)計(jì)與布局，還大幅減少元器件數(shù)目、系統(tǒng)成本和電路板面積。另外，由于Si570/1省下多個(gè)原本可能成為故障點(diǎn)的固定頻率振蕩器，所以系統(tǒng)會(huì)變得更可靠。
　　Si570/1能通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口設(shè)定操作頻率，這使器件的編程設(shè)定和重新配置變得更簡單。Si570/1還能不限次數(shù)重新編程，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將同一套時(shí)鐘頻率架構(gòu)重復(fù)用于不同的最終應(yīng)用，這能簡化設(shè)計(jì)和加速上市時(shí)間。
　　Si570/1采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)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(hào)格式(LVPECL、LVDS、CMOS和CML)。此系列包含三種不同速度等級(jí)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(wěn)定性規(guī)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(shè)計(jì)人員彈性選擇最適合其應(yīng)用的器件。Si570/1的操作溫度范圍都是從-40至+85℃。
　　標(biāo)稱頻率：振蕩器輸出的中心頻率或頻率的標(biāo)稱值。
　　可選頻率范圍：我們所能提供的某種規(guī)格的振蕩器的可實(shí)現(xiàn)的頻率輸出。
　　頻率溫度穩(wěn)定度：在指定溫度范圍內(nèi)振蕩器的輸出頻率相對(duì)于25°C時(shí)測量值的最大允許頻率偏差。
　　老化：在確定時(shí)間內(nèi)輸出頻率的相對(duì)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(duì)稱性，也就說，在一個(gè)周期內(nèi)，高電平與低電平所占比例之比。
　　上升時(shí)間：方波從低電平轉(zhuǎn)換為高電平的時(shí)間。
　　下降時(shí)間：方波從高電平轉(zhuǎn)換為低電平的時(shí)間。
　　諧波：振蕩器在相對(duì)于輸出頻率諧振點(diǎn)處的抑制。
　　非諧波：振蕩器在相對(duì)于輸出頻率非諧振點(diǎn)處的抑制。
　　短期頻率穩(wěn)定度：振蕩器在較短時(shí)間內(nèi)輸出頻率的穩(wěn)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(dòng)，通常定義為載波發(fā)生某一頻率偏移是在1Hz帶寬內(nèi)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(biāo)要求的溫度范圍。
　　石英晶體振蕩器特點(diǎn)
　　?? 在振蕩頻率上，閉合回路的相移為2nπ。
　　?? 當(dāng)開始加電時(shí)，電路中唯一的信號(hào)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(hào)，回路益增和晶體網(wǎng)絡(luò)
　　的帶寬決定。
　　?? 幅度繼續(xù)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(dòng)電平控制而被減小。
　　?? 在穩(wěn)定狀態(tài)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(yīng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交
　　變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。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(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)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(duì)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(hào)表示。三電極型和雙對(duì)電極型石英諧振器的符號(hào)見圖。2。
　　石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)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(shí)基振蕩器及游戲機(jī)中的時(shí)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(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高，可達(dá)10-6-10-11量級(jí)。

一、石英晶體的基本特性及其等效電路

1．壓電效應(yīng)

石英晶體諧振器如圖所示。它是在晶片的兩個(gè)對(duì)面上噴涂一對(duì)金屬極板，引出兩個(gè)電極，加以封裝所構(gòu)成。

壓電效應(yīng)：晶片在電壓產(chǎn)生的機(jī)械壓力下，其表面電荷的極性隨機(jī)械拉力而改變的一種現(xiàn)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(shí)，回路發(fā)生串聯(lián)諧振，電流振幅最大的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生壓電諧振時(shí)的振蕩頻率稱晶體諧振器的振蕩頻率。圖1(b)所示。

2．符號(hào)和等效電路

符號(hào)如圖2(a)所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可用靜態(tài)電容CO來等效，一般約為幾個(gè)皮法到幾十皮法；當(dāng)晶體振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)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(dòng)時(shí)的損耗用R來等效，阻值約為102歐姆。由可知，品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)104－106。加之晶體的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān)，其精度高而穩(wěn)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(wěn)定度。等效電路如圖2(b)所示，它有兩個(gè)諧振頻率。

(1)當(dāng)L、C、R支路串聯(lián)諧振時(shí)，等效電路的阻抗最小，串聯(lián)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(qū)域之外為容性。

二、石英晶體振蕩電路

2．串聯(lián)型晶體振蕩電路

如圖4所示。晶體與電阻R串聯(lián)構(gòu)成正反饋電路。當(dāng)振蕩頻率等于晶體的固有頻率fs時(shí)，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(diào)節(jié)電阻R可獲得良好的正弦波輸出。

相關(guān)術(shù)語解釋

1、頻率準(zhǔn)確度：在規(guī)定條件下，晶振輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率的允許偏離值。常用其相對(duì)值表示。

2、頻率穩(wěn)定度：　

1時(shí)域表征

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

⑵ 日穩(wěn)定度（或稱日波動(dòng)）：指晶振的輸出頻率在24小時(shí)內(nèi)的變化情況。通常用其最大變化的相對(duì)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(hào)的頻譜中，用偏離載頻f Hz處每Hz帶寬內(nèi)單邊相位噪聲功率與信號(hào)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(nèi)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(fù)載的規(guī)定條件下，晶振輸出的均方根值電壓。

5、頻率溫度特性：當(dāng)環(huán)境溫度在規(guī)定范圍內(nèi)按預(yù)定方式變化時(shí)，晶振的輸出頻率產(chǎn)生的相對(duì)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(yīng)用指南

根據(jù)晶振的不同使用要求及特點(diǎn)，通常分為以下幾類：普通晶振、溫補(bǔ)晶振、壓控晶振、溫控晶振等。安裝晶振時(shí)，應(yīng)根據(jù)其引腳功能標(biāo)識(shí)與應(yīng)用電路應(yīng)連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。

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

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

2、溫補(bǔ)晶振（TCXO）：是在晶振內(nèi)部采取了對(duì)晶體頻率溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到在寬溫溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。一般模擬式溫補(bǔ)晶振采用熱敏補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)償后頻率穩(wěn)定度在10-7~10-6量級(jí)，由于其良好的開機(jī)特性、優(yōu)越的性能價(jià)格比及功耗低、體積小、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，因而獲行了廣泛應(yīng)用。

3、 壓控晶振（VCXO）：是一種可通過調(diào)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(huán)路或頻率微調(diào)。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?nèi)?a target="_blank">二極管及晶體參數(shù)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(shù)點(diǎn)的溫度上。中精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度為10-7~10-8，高精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度在10-9量級(jí)以上。主要用作頻率源或標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)