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晶振分类概述,晶振工作原理和作用

2012-10-26 15:24:46  6289
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本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 10:00 编辑

晶振相关概述
  晶体振荡器,简称晶振,其作用在于产生原始的时钟频率,这个频率经过频率发生器的倍频或分频后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例,要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样,频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话,声卡就需要有两颗晶振。但是现在的娱乐级声卡为了降低成本,通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz,但是SRC会对音质带来损害,而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。
石英晶体振荡器
  
  石英晶体振荡器基本结构及工作原理
  石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、电压控制晶体振荡器(VCXO)、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)和数字化/μp补偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。其中,无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种,在日本工业标准(JIS)中,称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。现以SPXO为例,简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。
  石英晶体,有天然的也有人造的,是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器,它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由品质因数(Q)很高的晶体谐振器(即晶体振子)与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件,晶体的频率(基频或n次谐波频率)及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。石英晶体谐振器的基本结构、(金属壳)封装及其等效电路。
  只要在晶体振子板极上施加交变电压,就会使晶片产生机械变形振动,此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时,就会发生压电谐振,从而导致机械变形的振幅突然增大。
  温度补偿晶体振荡器(TCXO): TCXO是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。
  TCXO中,对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型:
  直接补偿型
  直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路,在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时,热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化,从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单,成本较低,节省印制电路板(PCB)尺寸和空间,适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时,直接补偿方式并不适宜。
  间接补偿型
  间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度-电压变换电路,并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上,通过晶体振子串联电容量的变化,对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度,但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数(A/D)变换器,将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿,使晶体振荡器频率稳定度非常高,但具体的补偿电路比较复杂,成本也较高,只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。
TCXO发展现状
  TCXO在近十几年中得到长足发展,其中在精密TCXO(温度补偿型石英晶体谐振器,具有精度高等特点)的研究开发与生产方面,日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20 以上,目前的主流产品降至0.4 ,超小型化的TCXO器件体积仅为0.27 。在30年中,TCXO的体积缩小了50余倍乃至100倍。日本京瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm,在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90%。金石(KSS)集团生产的TCXO频率范围为2~80MHz,温度从-10℃到60℃变化时的稳定度为±1ppm或±2ppm;数字式TCXO的频率覆盖范围为0.2~90MHz,频率稳定度为±0.1ppm(-30℃~+85℃)。日本东洋通信机生产的TCO-935/937型片式直接温补型TCXO,频率温度特性(点频15.36MHz)为±1ppm/-20~+70℃,在5V±5%的电源电压下的频率电压特性为±0.3ppm,输出正弦波波形(幅值为1VPP),电流损耗不足2mA,体积1 ,重量仅为1g。PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装,正弦波或逻辑输出,在-55℃~85℃范围内能达到±0.25~±1ppm的精度。国内的产品水平也较高,如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的TCXO(32~40MHz)在室温下精度优于±1ppm,第一年的频率老化率为±1ppm,频率(机械)微调≥±3ppm,电源功耗≤120mw。目前高稳定度的TCXO器件,精度可达±0.05ppm。
  高精度、低功耗和小型化,仍然是TCXO的研究课题。在小型化与片式化方面,面临不少困难,其中主要的有两点:一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小,温度补偿更加困难;二是片式封装后在其回流焊接作业中,由于焊接温度远高于TCXO的最大允许温度,会使晶体振子的频率发生变化,若不采限局部散热降温措施,难以将TCXO的频率变化量控制在±0.5×10-6以下。但是,TCXO的技术水平的提高并没进入到极限,创新的内容和潜力仍较大。
  3.TCXO的应用 :石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用,由于TCXO具有较高的频率稳定度,而且体积小,在小电流下能够快速启动,其应用领域重点扩展到移动通信系统。
  TCXO作为基准振荡器为发送信道提供频率基准,同时作为接收通道的第一级本机振荡器;另一只TCXO作为第2级本机振荡器,将其振荡信号输入到第2变频器。目前移动电话要求的频率稳定度为0.1~2.5ppm(-30~+75℃),但出于成本上的考虑,通常选用的规格为1.5~2.5ppm。移动电话用12~20MHz的TCXO代表性产品之一是VC-TCXO-201C1,采用直接补偿方式,外观如图2(b)所示,由日本金石(KSS)公司生产。
电压控制晶体振荡器(VCXO)
  电压控制晶体振荡器(VCXO),是通过施加外部 控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在典型的VCXO中,通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。VCXO允许频率控制范围比较宽,实际的牵引度范围约为±200ppm甚至更大。
  如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高,可采用倍频方案。扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频。与单一的振荡器相比,这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展。
  在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的VCXO代表性产品是日本精工·爱普生公司生产的VG-2320SC。这种采用与IC同样塑封的4引脚器件,内装单独开发的专用IC,器件尺寸为12.6mm×7.6mm×1.9mm,体积为0.19 。其标准频率为12~20MHz,电源电压为3.0±0.3V,工作电流不大于2mA,在-20~+75℃范围内的频率稳定度≤±1.5ppm,频率可变范围是±20~±35ppm,启动振荡时间小于4ms。金石集团生产的VCXO,频率覆盖范围为10~360MHz,频率牵引度从±60ppm到±100ppm。VCXO封装发展趋势是朝SMD方向发展,并且在电源电压方面尽可能采用3.3V。日本东洋通信机生产的TCO-947系列片式VCXO,早在90年代中期前就应用于汽车电话系统。该系列VCXO的工作频率点是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz,频率温度特性±2.5ppm/-30~+75℃,频率电压特性±0.3ppm/5V±5%,老化特性±1ppm/年,内部采用SMD/SMC,并采用激光束和汽相点焊方式封装,高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统(PHS)等移动通信用VCXO,共有两大类六个系列,为适应SMT要求,全部采用SMD封装。Saronix的S1318型、Vectron国际公司的J型、Champion技术公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1-KH/LH等VCXO,均是表面贴装器件,电源电压为3.3V或5V,可覆盖的频率范围或最高频率分别为32~120MHz、155MHz、2~40MHz和1-50MHz,牵引度从±25ppm到±150ppm不等。MF电子公司生产的T-VCXO系列产品尺寸为5mm×7mm,曾被业内认为是外形尺寸最小的产品,但这个小型化的记录很快被打破。目前新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm,并且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司生产的VX-8000系
恒温控制晶体振荡器(OCXO)
  CXO是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定,将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器,其内部结构如图4所示。在OCXO中,有的只将石英晶体振子置于恒温槽中,有的是将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中,还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中,而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿,实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上,使振荡器频率稳定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。
  OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻“电桥”构成的差动串联放大器,来实现温度控制的。具有自动增益控制(AGC)的(C1app)振荡电路,是目前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。
  在近几年中,OCXO的技术水平有了很大的提高。日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的1/10。在克服OCXO功耗较大这一缺点方面取得了重大突破。该公司使用应力补偿切割(SCCut)石英晶体振子制作的OCXO,与使用AT切形石英晶体振子的OCXO比较,具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率(C/N),是表征频率颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处,以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz,而用SC切割晶体制成的同样OCXO,则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。
  金石集团生产的OCXO,频率范围为5~120MHz,在-10~+60℃的温度范围内,频率稳定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm,老化指标为±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak频率控制公司的4895型4.096~45MHz双恒温箱控制OCXO,温度稳定度仅为0.002ppm(2×10-10)/0~75℃;4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm,老化率为±0.03ppm/年。如果体积缩小一点,在性能指标上则会有所牺牲。Oak公司生产的10~25MHz表面贴装OCXO,频率稳定度为±0.05ppm/0~70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系统(GPS)的OCXO采用SC切形石英晶体振子,在0~75℃范围内总频偏小于±0.005ppm,最大老化率为±0.005ppm/年。Vectron国际公司的CO-760型OCXO,尺寸为25.4mm见方,高12.7mm,在OCXO产品中,体积算是较小的。随着移动通信产品的迅猛增长,对OCXO的市场需求量会逐年增加。OCXO的发展方向是顺应高频化、高频率稳定度和低相位噪声的要求,但在尺寸上的缩小余地非常有限。
  晶体谐振器
  晶体谐振器现已被广泛使用,很多厂商在考虑成本因素的前提下,甚至用晶体谐振器代替振荡器。晶体谐振器常见有3种封装方式:金属、陶瓷、玻璃。其中金属封装最为常见,玻璃封装则最为便宜,但含铅(技术瓶颈);陶瓷封装价格介于两者之间,但技术要求高,目前产品比较成熟的厂家只有少数几家,如日本京瓷、台湾鸿星、浙江嘉康等。目前亚洲市场产销量较大的国内厂家是浙江东晶电子,还有台湾晶技这两家的客户都是日本一线电子厂家如松下电子,SONY等。需要说明的是目前市场主导产品盒型分为:49S,49SMD,SMD S3225,SMD 6035,SMD G8045。
  有关晶体的正负极
  晶振分为有源晶振和无源晶振。无源晶振只有两个引脚,没有所谓的正负极。有源晶振需要接电源才能工作,一般有四个引脚,其中有两个电源输入引脚,有正负极之分。
电路中的晶振有什么作用?

电路中的晶振即石英晶体震荡器,晶振是石英振荡器的简称,英文名为Crystal,。
由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力,所以,石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。
石英晶体震荡器的应用范围是非常广的,它质量等级、频率精度也是差别很大的。通讯系统用的信号发生器的信号源(震荡源),绝大部分也用的是石英晶体震荡器
它是时钟电路中最重要的部件,它的作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率,它就像个标尺,工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定,自然容易出现问题。由于制造工艺不断提高,现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都很好,已不容易出现故障,但在选用时仍可留意一下晶振的质量。
例如某网卡的时钟电路采用了高精度的SKO25MHz的晶振,较可靠保证了数据传输的精确同步性,大大减少了丢包的可能性,并且在线路的设计上尽量靠近主芯片,使信号走线的长度大大缩短,可靠性进一步增加。而如果采用劣质晶振,这样做虽然可以降低一点网卡成本,但因为频率的准确性问题,极易造成传输过程中的数据丢包的情况。
晶振还有个作用是在电路产生震荡电流,发出时钟信号.




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2012-10-26 15:24:46   评论 分享淘帖
32 个讨论
学习了。不错
2012-10-27 19:59:32 评论

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晶振貌似很复杂啊
2012-11-6 15:32:15 评论

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2012-11-26 19:12:36 评论

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谢谢
2012-11-28 21:42:35 评论

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不错的资料收藏了
2012-11-29 16:11:45 评论

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2012-12-7 17:18:19 评论

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2012-12-9 00:25:40 评论

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不错的思路和想法!
2012-12-9 07:38:49 评论

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不错的内容
2012-12-20 20:33:18 评论

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谢谢分享,
2012-12-20 20:44:12 评论

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这个必须学习呀
2012-12-20 20:47:31 评论

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这个必须学习呀
2012-12-20 20:56:17 评论

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不错的资料收藏了
2012-12-22 09:35:13 评论

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学习学习
2012-12-28 21:49:21 评论

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!
2013-3-11 23:17:41 评论

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好东西,必须看看
2013-3-12 22:39:45 评论

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学习了,PCB上有很多,不知道是啥作用
2013-3-13 14:08:54 评论

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又是一个专业知识。
{:1:}
2013-4-9 10:46:17 评论

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