原创 晶体振荡器专题介绍

1、晶振的作用

       晶振是晶体振荡器的简称，分为有源晶振和无源晶振两种，有源晶振无需外接匹配电容，只要加电即可输出一定频率的周期波形，所以有源晶振一般是四个引脚；无源晶振严格来说不能叫晶振，只能算是晶体，因为它需要外接匹配电容才可起振，由于其起振不需要电源供电，因此称为无源晶振。晶振的作用就是为电路系统提供时钟或者时序。

2、晶振的分类

根据晶振的功能和实现技术的不同，可以将晶振分为以下四类：

(1) 恒温晶体振荡器(以下简称OCXO)：这类晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。OCXO的工作原理如下图所示：

图1恒温晶体振荡器原理框图

OCXO的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。

(2) 温度补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)：其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿TCXO开始出现，这种数字化补偿的 TCXO又叫DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振在温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。

(3) 普通晶体振荡器(SPXO)：这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图1中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分，完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。

(4) 压控晶体振荡器(VCXO)：这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。

3、晶振的指标及意义

晶振的主要参数有标称频率、频率准确度、频率稳定度、老化率、相位噪声、功耗等。(1)标称频率：是指晶振的标称输出频率；(2) 频率准确度：是指常温(25摄氏度)下，所测晶振频率相对于标称频率的差值。这一点是不太重要的；(3) 频率稳定度：一般是指频率温度稳定度，是指在晶振的工作温度范围内频率随着温度变化的大小，一般用ppm或ppb来标示，1ppb=0.001ppm=1*10-9；设计中晶振稳定度是最重要的指标，精度越高越好。(4) 老化率：，频率值随着时间的推移，变化的大小，有年老化和日老化两种指标，也有一些厂家提到10年或20年老化率的指标；老化率一般保持在5ppm容易，小于1ppm的很不容易，也很贵；(5) 相位噪声：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。一般来说雷达等设备会对相位噪声有特殊要求。(6) 晶体还有一个重要的特性就是“RR等效阻抗”，晶振常出现停振现象。经分析均为晶片阻值大于80欧姆。

4、ppm和ppb释疑

在听到别人讨论晶振的参数或者选用何种晶振时，我们经常会听到晶振需要达到多少ppm的说法，那么什么是ppm？它对晶振的选择有什么决定意义呢？下面篇幅讲做一简单说明。

ppm全称是parts per million，即百万分之几的意思；ppb全称是parts per billion，即十亿分之几的意思。两者都是用来度量晶振的频率稳定度的，最常用的是ppm，根据晶振这个指标值我们可以计算出晶振在某一时间的频率误差。那么为什么要关注这个指标呢？原因是时序问题。对于同步数字电路，如果时序不正常或者不同步，我们就不发正确地发送或接收数据，而晶振就是为电路提供时钟的，也就是电路的时序将由晶振的输出最终决定。很明显，如果晶振的频率稳定度或者误差越小，那么晶振的输出频率将越稳定，系统的时序就会更稳定，从而可以确保系统在发送或接收数据时不会出现时序混乱问题。下面讲述晶振输出频率误差的计算方法：

XXppm就是说频率的误差=(xx/百万)*振荡器的标称频率

eg1:120ppm，27M的晶振，频率的误差 = 120/100万*27M=3240Hz

eg2: 所配晶振频率：32772.2HZ，误差为+1.2ppm

一年的误差计算过程为:

Δf    =  +1.2/100万*32772.2

Δt/秒 = Δf/32772.2 = 1.2/100万

一年的误差 = Δt*24*3600*365 = 37.8秒

从例2可以看出，晶振的年计时误差与晶振的标称频率没有关系，而只取决于晶振的频率稳定度。