晶振、晶體振蕩器、時鐘振蕩器工作原理與特點

1、晶體（crystal），有的RD稱其為晶振:石英晶體,是無源的兩個腳的，沒有方向，需要IC或其它外部晶體振蕩器輸入，才產(chǎn)生頻率，是無方向的。晶體還需要反向器,負(fù)載電容(loading capacitor)才可組成振蕩器.石英晶體元件由石英晶體片和外殼組成一種無源壓電元件，俗稱晶體、晶振，我國早期稱晶體諧振器。

由此可見正常石英晶體元件（兩腳），是無方向性的，但當(dāng)一個引出端（引腳）與外殼相連導(dǎo)通時就有可能有方向性了。crystal是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性，如果給他通電，他就會產(chǎn)生機械振蕩，反之，如果給他機械力，他又會產(chǎn)生電，這種特性叫機電效應(yīng)。

他們有一個很重要的特點，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關(guān)。

由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)非常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準(zhǔn)確。-請問反向器,負(fù)載電容(loading capacitor)是做什么用的？？為什么要？-形成正反饋啊，這樣才能起振啊諧振器和鐘振他們的卻別在于諧振器是最簡單的沒有任何補償?shù)恼袷幤?，而我們通常說的鐘振是由一個諧振器加上ic組成一個回路而實現(xiàn)其自身的功能。

以vcxo為例：壓控晶體振蕩器（VCXO）是通過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是可以調(diào)制的石英晶體振蕩器。

VCXO主要由石英諧振器、變?nèi)?a target="_blank">二極管和振蕩電路組成，其工作原理是通過控制電壓來改變變?nèi)荻O管的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達到頻率調(diào)制的目的。

VCXO大多用于鎖相技術(shù)、頻率負(fù)反饋調(diào)制的目的。而決定如何選用也應(yīng)該很清楚了吧？

2。鐘振（oscillator），有的RD也稱其為晶振，一般有四個腳，是有方向的，有電源、地和時鐘輸出引腳，內(nèi)部有晶體和振蕩電路，不需要輸入輸入信號源，直接可產(chǎn)生頻率。出廠時頻率已校準(zhǔn)。特點：應(yīng)用方便、頻率穩(wěn)定、電磁輻射少。但價格比晶體貴些。石英晶體振蕩器簡稱晶振，一般是由石英晶體元件、IC和阻容及外殼組成有源功能組件，加電即可輸出穩(wěn)定頻率信號。
對晶振一般為4腳（引出端），都有方向性，樣本或說明書中有標(biāo)注。諧振器（Resonator）：在電路中等效作用是一個具有選頻作用的網(wǎng)絡(luò)，是振蕩電路核心元器件，決定了振蕩器的頻率穩(wěn)定度（Frequency stability）種類有：石英晶體，陶瓷，LC，介質(zhì)等材料的諧振器。石英晶體與放大電路配合如果行成正反饋，并且回路放大系數(shù)大于一則產(chǎn)生自激振蕩信號。這就是石英晶體器的基本原理。選用-------根據(jù)你所用的IC的具體要求,1)只能用外部時鐘,則選鐘振,或用晶振+反相器+電容來組成振蕩器,按價錢和方便來取,2)若可用外部時鐘,也可用晶振,那就用晶振,3)若只能用晶振,就選晶振無源晶體與有源晶振的區(qū)別、應(yīng)用范圍及用法：

1、無源晶體——無源晶體需要用DSP片內(nèi)的振蕩器，在datasheet上有建議的連接方法。無源晶體沒有電壓的問題，信號電平是可變的，也就是說是根據(jù)起振電路來決定的，同樣的晶體可以適用于多種電壓，可用于多種不同時鐘信號電壓要求的DSP，而且價格通常也較低，因此對于一般的應(yīng)用如果條件許可建議用晶體，這尤其適合于產(chǎn)品線豐富批量大的生產(chǎn)者。

無源晶體相對于晶振而言其缺陷是信號質(zhì)量較差，通常需要精確匹配外圍電路（用于信號匹配的電容、電感、電阻等），更換不同頻率的晶體時周邊配置電路需要做相應(yīng)的調(diào)整。建議采用精度較高的石英晶體，盡可能不要采用精度低的陶瓷警惕。

2、有源晶振——有源晶振不需要DSP的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單（主要是做好電源濾波，通常使用一個電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可），不需要復(fù)雜的配置電路。

有源晶振通常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。相對于無源晶體，有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，靈活性較差，而且價格高。

對于時序要求敏感的應(yīng)用，個人認(rèn)為還是有源的晶振好，因為可以選用比較精密的晶振，甚至是高檔的溫度補償晶振。有些DSP內(nèi)部沒有起振電路，只能使用有源的晶振，如TI的6000系列等。有源晶振相比于無源晶體通常體積較大，但現(xiàn)在許多有源晶振是表貼的，體積和晶體相當(dāng)，有的甚至比許多晶體還要小。

幾點注意事項：1、需要倍頻的DSP需要配置好PLL周邊配置電路，主要是隔離和濾波；

2、20MHz以下的晶體晶振基本上都是基頻的器件，穩(wěn)定度好，20MHz以上的大多是諧波的（如3次諧波、5次諧波等等），穩(wěn)定度差，因此強烈建議使用低頻的器件，畢竟倍頻用的PLL電路需要的周邊配置主要是電容、電阻、電感，其穩(wěn)定度和價格方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于晶體晶振器件；

3、時鐘信號走線長度盡可能短，線寬盡可能大，與其它印制線間距盡可能大，緊靠器件布局布線，必要時可以走內(nèi)層，以及用地線包圍；

4、通過背板從外部引入時鐘信號時有特殊的設(shè)計要求，需要詳細(xì)參考相關(guān)的資料。此外還要做一些說明：總體來說晶振的穩(wěn)定度等方面好于晶體，尤其是精密測量等領(lǐng)域，絕大多數(shù)用的都是高檔的晶振，這樣就可以把各種補償技術(shù)集成在一起，減少了設(shè)計的復(fù)雜性。試想，如果采用晶體，然后自己設(shè)計波形整形、抗干擾、溫度補償，那樣的話設(shè)計的復(fù)雜性將是什么樣的呢？我們這里設(shè)計射頻電路等對時鐘要求高的場合，就是采用高精度溫補晶振的，工業(yè)級的要好幾百元一個。

特殊領(lǐng)域的應(yīng)用如果找不到合適的晶振，也就是說設(shè)計的復(fù)雜性超出了市場上成品晶振水平，就必須自己設(shè)計了，這種情況下就要選用晶體了，不過這些晶體肯定不是市場上的普通晶體，而是特殊的高端晶體，如紅寶石晶體等等。更高要求的領(lǐng)域情況更特殊，我們這里在高精度測試時采用的時鐘甚至是原子鐘、銣鐘等設(shè)備提供的，通過專用的射頻接插件連接，是個大型設(shè)備，相當(dāng)笨重。晶振：即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時鐘振蕩器的統(tǒng)稱。不過由于在消費類電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指鐘振。本文介紹了一些足以表現(xiàn)出一個晶體振蕩器性能高低的技術(shù)指標(biāo)，了解這些指標(biāo)的含義，將有助于通訊設(shè)計工程師順利完成設(shè)計項目，同時也可以大大減少整機生產(chǎn)廠家的采購成本。

----總頻差：在規(guī)定的時間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大頻差。

----說明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率溫度準(zhǔn)確度、頻率老化率、頻率電源電壓穩(wěn)定度和頻率負(fù)載穩(wěn)定度共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心，而對其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場合采用。例如：精密制導(dǎo)雷達。

----頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。

----fT=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)----fTref＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜,｜(fmin-fref)/fref｜]fT：頻率溫度穩(wěn)定度(不帶隱含基準(zhǔn)溫度)----fTref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準(zhǔn)溫度)----fmax：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻率----fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率----fref：規(guī)定基準(zhǔn)溫度測得的頻率

----說明：采用fTref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用fT指標(biāo)的晶體振蕩器,故fTref指標(biāo)的晶體振蕩器售價較高。

----幾種電子系統(tǒng)使用的晶體振蕩器典型頻率溫度穩(wěn)定度指標(biāo)見下表:

----表中有一部分頻率溫度穩(wěn)定度指標(biāo)應(yīng)是帶隱含基準(zhǔn)溫度的頻率溫度穩(wěn)定度指標(biāo)，但沒表示出來。(1ppm=1×10-6；1ppb=1×10-9)。

----頻率穩(wěn)定預(yù)熱時間：以晶體振蕩器穩(wěn)定輸出頻率為基準(zhǔn)，從加電到輸出頻率小于規(guī)定頻率允差所需要的時間。

----說明：在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振蕩器是長期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要頻繁的開機和關(guān)機，這時頻率穩(wěn)定預(yù)熱時間指標(biāo)需要被考慮到（尤其是對于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺，當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預(yù)熱時間將不少于5分鐘，而采用DTCXO只需要十幾秒鐘)。

----頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測量振蕩器頻率時，振蕩器頻率和時間之間的關(guān)系。這種長期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，可用規(guī)定時限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時后），或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻率變化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））來表示。

----說明：TCXO的頻率老化率為：±0.2ppm～±2ppm（第一年）和±1ppm～±5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率老化率的指標(biāo)，因為即使在實驗室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過溫度補償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個指標(biāo)失去了實際的意義）。OCXO的頻率老化率為：±0.5ppb～±10ppb/天（加電72小時后），±30ppb～±2ppm（第一年），±0.3ppm～±3ppm（十年）。

----頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。

----說明：基準(zhǔn)電壓為＋2.5V，規(guī)定終點電壓為＋0.5V 和＋4.5V，壓控晶體振蕩器在＋0.5V頻率控制電壓時頻率改變量為-110ppm，在＋4.5V頻率控制電壓時頻率改變量為＋130ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：≥±100ppm(2.5V±2V)。壓控頻率響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻率變化時，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干dB表示。

----說明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應(yīng)為0～10kHz。

----頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分?jǐn)?shù)表示整個范圍頻偏的可容許非線性度。

----說明：典型的VCXO頻率壓控線性為：≤±10%，≤±20%。簡單的VCXO頻率壓控線性計算方法為(當(dāng)頻率壓控極性為正極性時)：

----頻率壓控線性＝±((fmax-fmin)/f0)×100%----fmax：VCXO在最大壓控電壓時的輸出頻率----fmin：VCXO在最小壓控電壓時的輸出頻率----f0：壓控中心電壓頻率----單邊帶相位噪聲￡(f)：偏離載波f處，一個相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。

晶體振蕩器概述

一、晶體振蕩器類型：

1、普通晶體振蕩器PackagedCrystalOscillator（PXO）最簡單和最適用的、其基本控制元件為晶體元件的振蕩器。由于不采用溫度控制和溫度補償方式，它的頻率－溫度特性主要由所采用的晶體元件來確定。

2、電壓控制晶體振蕩器VoltageControlledCrystalOscillator（VCXO）用外加控制電壓偏置或調(diào)制其頻率輸出的晶體振蕩器。VCXO的頻率－溫度特性類似于PXO，主要由所采用的晶體元件來確定。

3、溫度補償晶體振蕩器TemperatureCompensatedCrystalOscillator（TCXO）包括數(shù)字補償晶體振蕩器（DCXODigitallyCompensatedCrystalOscillator）和微機補償晶體振蕩器（MCXOMicrocomputerCompensatedCrystalOscillator）。器件內(nèi)部采用模擬補償網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字補償方式、利用晶體負(fù)載電抗隨溫度的變化而補償晶體元件的頻率－溫度特性，以達到減少其頻率－溫度偏移的晶體振蕩器。

4、恒溫控制晶體振蕩器OvenControlledCrystalOscillator（OCXO）至少是將晶體元件置于隔熱罩里（如恒溫槽）控制其溫度，以使晶體溫度基本維持不變的晶體振蕩器。

5、電壓控制－溫補晶體振蕩器（VCTCXO）溫度補償晶體振蕩器和電壓控制晶體振蕩器結(jié)合。

6、電壓控制－恒溫晶體振蕩器（VCOCXO）恒溫晶體振蕩器和電壓控制晶體振蕩器結(jié)合。

二、晶體振蕩器主要參數(shù)★頻率準(zhǔn)確度：在標(biāo)稱電源電壓、標(biāo)稱負(fù)載阻抗、基準(zhǔn)溫度（252℃）以及其他條件保持不變，晶體振蕩器的頻率相對與其規(guī)定標(biāo)稱值的最大允許偏差，即（fmax-fmin）/f0；

★溫度穩(wěn)定度：其他條件保持不變，在規(guī)定溫度范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對于溫度范圍內(nèi)輸出頻率極值之和的允許頻偏值，即（fmax-fmin）/（fmax+fmin）；

★頻率調(diào)節(jié)范圍：通過調(diào)節(jié)晶振的某可變元件改變輸出頻率的范圍。頻率調(diào)節(jié)的作用是：①將輸出頻率調(diào)節(jié)到該頻率范圍內(nèi)的某一預(yù)定值；

②由于老化或其他原因，晶體振蕩器的輸出頻率產(chǎn)生偏移，將輸出頻率調(diào)到規(guī)定值。

★調(diào)頻（壓控）特性：包括調(diào)頻頻偏、調(diào)頻靈敏度、調(diào)頻線性度。①調(diào)頻頻偏：壓控晶體振蕩器控制電壓由標(biāo)稱的最大值變化到最小值時輸出頻率差。②調(diào)頻靈敏度：壓控晶體振蕩器變化單位外加控制電壓所引起的輸出頻率的變化量。③調(diào)頻線性度：是一種與理想直線（最小二乘法）相比較的調(diào)制系統(tǒng)傳輸特性的量度。通常是以在規(guī)定范圍內(nèi)偏離理想直線的百分?jǐn)?shù)表示

★負(fù)載特性：其他條件保持不變，負(fù)載在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對于標(biāo)稱負(fù)載下的輸出頻率的最大允許頻偏。

★電壓特性：其他條件保持不變，電源電壓在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對于標(biāo)稱電源電壓下的輸出頻率的最大允許頻偏。

★雜波：輸出信號中與主頻無諧波（副諧波除外）關(guān)系的離散頻譜分量與主頻的功率比，用dBc表示。

★諧波：諧波分量功率Pi與載波功率P0之比，用dBc表示。

★頻率老化：在規(guī)定的環(huán)境條件下，由于元件（主要是石英諧振器）老化而引起的輸出頻率隨時間的系統(tǒng)漂移過程。通常用某一時間間隔內(nèi)的頻差來量度。對于高穩(wěn)定晶振，由于輸出頻率在較長的工作時間內(nèi)呈近似線性的單方向漂移，往往用老化率（單位時間內(nèi)的相對頻率變化）來量度。如：10-8/日或10-6/年等。

★日波動：指振蕩器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，每隔一小時測量一次，連續(xù)測量24小時，將測試數(shù)據(jù)按S=（fmax-fmin）/f0式計算，得到日波動。

★開機特性：在規(guī)定的預(yù)熱時間內(nèi)，振蕩器頻率值的最大變化，用V=（fmax-fmin）/f0表示。

★相位噪聲：短期穩(wěn)定度的頻域量度。用單邊帶噪聲與載波噪聲之比￡（f）表示，￡（f）與噪聲起伏的頻譜密度Sφ（f）和頻率起伏的頻譜密度Sy（f）直接相關(guān)，由下式表示：f2S（f）=f02Sy（f）=2f2￡（f）f—傅立葉頻率或偏離載波頻率；f0—載波頻率如何選擇晶振晶振的選擇

注意某些參數(shù)，設(shè)計工程師即可選擇到適合應(yīng)用的振蕩器

----今天無數(shù)電子線路和應(yīng)用需要精確定時或時鐘基準(zhǔn)信號。晶體時鐘振蕩器極為適合這方面的許多應(yīng)用。

----時鐘振蕩器有多種封裝，它的特點是電氣性能規(guī)范多種多樣。它有好幾種不同的類型：電壓控制晶體振蕩器（VCXO）、溫度補償晶體振蕩器（TCXO）、恒溫箱晶體振蕩器（OCXO），以及數(shù)字補償晶體振蕩器（DCXO）。每種類型都有自己的獨特性能。

----頻率穩(wěn)定性的考慮----晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性，它是決定振蕩器價格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬，器件的價格亦愈高。

----設(shè)計工程師要慎密決定對特定應(yīng)用的實際需要，然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)定度。指標(biāo)過高意味著花錢愈多。

----對于頻率穩(wěn)定度要求±20ppm或以上的應(yīng)用，可使用普通無補償?shù)木w振蕩器。對于成于±1至±20ppm的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮TCXO。對于低于±1ppm的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮OCXO或DCXO。

----輸出----必需考慮的其它參數(shù)是輸出類型、相位噪聲、抖動、電壓穩(wěn)定度、負(fù)載穩(wěn)定性、功耗、封裝形式、沖擊和振動、以及電磁干擾（EMI）。晶振器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波輸出。每種輸出類型都有它的獨特波形特性和用途。應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互補輸出的要求。對稱性、上升和下降時間以及邏輯電平對某些應(yīng)用來說也要作出規(guī)定。許多DSP和通信芯片組往往需要嚴(yán)格的對稱性（45%至55%）和快速的上升和下降時間（小于5ns）。

----相位噪聲和抖動----在頻域測量獲得的相位噪聲是短期穩(wěn)定度的真實量度。它可測量到中央頻率的1Hz之內(nèi)和通常測量到1MHz。

----振蕩器的相位噪聲在遠(yuǎn)離中心頻率的頻率下有所改善。TCXO和OCXO振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能。采用鎖相環(huán)合成器產(chǎn)生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術(shù)的振蕩器一般呈現(xiàn)較差的相位噪聲性能。

----抖動與相位噪聲相關(guān)，但是它在時域下測量。以微微秒表示的抖動可用有效值或峰。

—峰值測出。許多應(yīng)用，例如通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、ATM和SONET要求必需滿足嚴(yán)格的拌動指標(biāo)。需要密切注意在這些系統(tǒng)中應(yīng)用的振蕩器的抖動和相位噪聲特性。

----電源和負(fù)載的影響----振蕩器的頻率穩(wěn)定性亦受到振蕩器電源電壓變動以及振蕩器負(fù)載變動的影響。正確選擇振蕩器可將這些影響減到最少。設(shè)計者應(yīng)在建議的電源電壓容差和負(fù)載下檢驗振蕩器的性能。不能期望只能額定驅(qū)動15pF的振蕩器在驅(qū)動50pF時會有好的表現(xiàn)。在超過建議的電源電壓下工作的振蕩器亦會呈現(xiàn)壞的波形和穩(wěn)定性。

----對于需要電池供電的器件，一定要考慮功耗。引入3.3V的產(chǎn)品必然要開發(fā)在3.3V下工作的振蕩器。----較低的電壓允許產(chǎn)品在低功率下運行?，F(xiàn)今大部分市售的表面貼裝振蕩器在3.3V下工作。許多采用傳統(tǒng)5V器件的穿孔式振蕩器正在重新設(shè)計，以便在3.3V下工作。

----封裝與其它電子元件相似，時鐘振蕩器亦采用愈來愈小型的封裝。例如，M-tron公司的M3L/M5L系列表面貼裝振蕩器現(xiàn)在采用3.2×5.0×1.0mm的封裝。通常，較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴。小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷。

----工作環(huán)境----振蕩器實際應(yīng)用的環(huán)境需要慎重考慮。例如，高的振動或沖擊水平會給振蕩器帶來問題。

----除了可能產(chǎn)生物理損壞，振動或沖擊可在某些頻率下引起錯誤的動作。這些外部感應(yīng)的擾動會產(chǎn)生頻率跳動、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。----對于要求特殊EMI兼容的應(yīng)用，EMI是另一個要優(yōu)先考慮的問題。除了采用合適的PCB母板布局技術(shù)，重要的是選擇可提供輻射量最小的時鐘振蕩器。一般來說，具有較慢上升/下降時間的振蕩器呈現(xiàn)較好的EMI特性。

----對于70MHz以下的頻率，建議使用HCMOS型的振蕩器。對于更高的頻率，可采用ECL型的振蕩器。ECL型振蕩器通常具有最好的總噪聲抑制，甚至在10至100MHz的較低頻率下，ECL型也比其它型的振蕩器略勝一籌。