石英晶体振荡器,石英晶体振荡器电路

石英晶体振荡器,石英晶体振荡器电路

石英晶体振荡器　

　频率范围很宽，频率稳定度在10-4～10-12范围内，经校准一年内可保持10-9的准确度，高质量的石英晶体振荡器，在经常校准时，频率准确可达10-11.高效能模拟与混合信号IC厂商Silicon Laboratories(芯科实验室有限公司)日前推出业界第一款支持输出频率可编程的振荡器(XO)和压控振荡器(VCXO)。Si570/1系列采用公司专利的DSPLL技术和业界标准的I2C接口，通过对I2C接口的操作，一颗器件就能产生10MHz到1.4GHz的任何输出频率，同时将均方根抖动幅度减少到0.3ps左右。Si570任意频率XO和Si571任意频率VCXO最适合需要弹性频率源的高效能应用，包括下一代网络设备、无线基站，测试与测量装置、高画质电视视频基础设施和高速数据采集装置。
　　硬件设计人员过去必须用多个固定频率XO、VCXO或压控SAW振荡器(VCSO)，才能开发出复杂系统所需的可变频率架构，并让它们以不同频率操作。但这种方法的成本很高，需要复杂的模拟锁相回路(PLL)设计和布局，还会延长新开发产品的上市时间。
　　Si570/1可编程XO和VCXO的弹性振荡器能产生10MHz到1.4GHz的任何频率，使得一颗器件就能取代多个固定频率振荡器，不仅简化锁相回路的设计与布局，还大幅减少元器件数目、系统成本和电路板面积。另外，由于Si570/1省下多个原本可能成为故障点的固定频率振荡器，所以系统会变得更可靠。
　　Si570/1能通过业界标准的I2C接口设定操作频率，这使器件的编程设定和重新配置变得更简单。Si570/1还能不限次数重新编程，让系统设计人员将同一套时钟频率架构重复用于不同的最终应用，这能简化设计和加速上市时间。
　　Si570/1采用业界标准和RoHS兼容的5×7毫米表面贴装封装，并支持所有常见的输出信号格式(LVPECL、LVDS、CMOS和CML)。此系列包含三种不同速度等级的器件，分别是10MHz-1.4GHz、10-810MHz和10-215MHz。Si570任意频率石英振荡器还有±20ppm和±50ppm两种不同的温度稳定性规格可供选择，Si571任意频率压控石英振荡器则包含从±12ppm到±375ppm等多种不同压控范围(Absolute Pull Range)的器件，以便设计人员弹性选择最适合其应用的器件。Si570/1的操作温度范围都是从-40至+85℃。
　　标称频率：振荡器输出的中心频率或频率的标称值。
　　可选频率范围：我们所能提供的某种规格的振荡器的可实现的频率输出。
　　频率温度稳定度：在指定温度范围内振荡器的输出频率相对于25°C时测量值的最大允许频率偏差。
　　老化：在确定时间内输出频率的相对变化。
　　输出：振荡器输出的波形及功率。
　　占空比：反映输出波形的对称性，也就说，在一个周期内，高电平与低电平所占比例之比。
　　上升时间：方波从低电平转换为高电平的时间。
　　下降时间：方波从高电平转换为低电平的时间。
　　谐波：振荡器在相对于输出频率谐振点处的抑制。
　　非谐波：振荡器在相对于输出频率非谐振点处的抑制。
　　短期频率稳定度：振荡器在较短时间内输出频率的稳定性，通常为1秒。
　　相位噪声：用于描述振荡器的短期频率波动，通常定义为载波发生某一频率偏移是在1Hz带宽内的单边带功率密度，单位为dBc/Hz。
　　电源电压：加在振荡器电源端（Vcc）的能够使振荡器正常工作的电压。
　　电源电流：流过振荡器电源端（Vcc）的总电流。
　　工作温度范围：能够保证振荡器输出频率及其它各种特性能满座指标要求的温度范围。
　　石英晶体振荡器特点
　　􀁺 在振荡频率上，闭合回路的相移为2nπ。
　　􀁺 当开始加电时，电路中唯一的信号是噪声。满足振荡相位条件的频率噪声分量以增
　　大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络
　　的带宽决定。
　　􀁺 幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减小或者由于某
　　一自动电平控制而被减小。
　　􀁺 在稳定状态下，闭合回路的增益为1。
　　石英晶体振荡器简介
　　石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交
　　变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线
　　圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。
　　石英谐振器按引出电极情况来分有双电极型、三电极型和双对电极型几种。图l为双电极型石英谐振器的外形，尽管它们的体积有大有小、固有振荡频率有高有低，但在电路图中均用图1(b)符号表示。三电极型和双对电极型石英谐振器的符号见图。2。
　　石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件，如彩电的色副载波振荡器、电子钟表的时基振荡器及游戏机中的时钟脉冲振荡器等，石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶瓷谐振元件。

电路特点：频率稳定度高，可达10-6-10-11量级。

一、石英晶体的基本特性及其等效电路

1．压电效应

石英晶体谐振器如图所示。它是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。

压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。如图1(a)所示。

压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的振荡频率。图1(b)所示。

2．符号和等效电路

符号如图2(a)所示。当晶体不振动时，可用静态电容CO来等效，一般约为几个皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般为10-3－10-2H；晶片的弹性可用电容C来等效，一般为10-2－10-1pF；晶片振动时的损耗用R来等效，阻值约为102欧姆。由可知，品质因数Q很大，可达104－106。加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。等效电路如图2(b)所示，它有两个谐振频率。

(1)当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为

由于C<

图2(c)为石英晶体谐振器的电抗-频率特性，在fs和fp之间为感性，在此区域之外为容性。

二、石英晶体振荡电路

2．串联型晶体振荡电路

如图4所示。晶体与电阻R串联构成正反馈电路。当振荡频率等于晶体的固有频率fs时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路满足自激振荡条件而振荡，其振荡频率为f0=fs。否则不能振荡。调节电阻R可获得良好的正弦波输出。

相关术语解释

1、频率准确度：在规定条件下，晶振输出频率相对于标称频率的允许偏离值。常用其相对值表示。

2、频率稳定度：　

1时域表征

⑴ 在规定条件下，晶振内部元件由于老化而引起的输出频率随时间的漂移。通常用某一时间间隔内的老化频差的相对值来量度（如日、月或年老化率等）。

⑵ 日稳定度（或称日波动）：指晶振的输出频率在24小时内的变化情况。通常用其最大变化的相对值来表示。

2频域表征

⑴ 单边相位噪声功率谱密度，晶振输出信号的频谱中，用偏离载频f Hz处每Hz带宽内单边相位噪声功率与信号功率之比的分贝（dB）量，可写作￡（f）单位为dB/Hz。

⑵ 频谱纯度：是量度晶振内部噪声及杂散谱的尺度。通常用单边噪声功率谱密度来表示。

3、输出波形：有正弦波和方波两种。

4、输出幅度：在接入额定负载的规定条件下，晶振输出的均方根值电压。

5、频率温度特性：当环境温度在规定范围内按预定方式变化时，晶振的输出频率产生的相对变化特性

6、压控线性度：指压控晶振输出频率与压控电压曲线偏离线性的程度。

应用指南

根据晶振的不同使用要求及特点，通常分为以下几类：普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。安装晶振时，应根据其引脚功能标识与应用电路应连接，避免电源引线与输出引脚相接输出。

在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量，交流电压应无瞬变过程。测试仪器应有足够的精度，连线合理布置，将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。

1、普通晶振（PXO）：是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。

2、温补晶振（TCXO）：是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络。补偿后频率稳定度在10-7~10-6量级，由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，因而获行了广泛应用。

3、 压控晶振（VCXO）：是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合

4、 恒温晶振（OCXO）：采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。中精度产品频率稳定度为10-7~10-8，高精度产品频率稳定度在10-9量级以上。主要用作频率源或标准信号