原创 晶振、晶体、时钟概念详解(2)

晶体振荡器概述一、晶体振荡器类型：
1、普通晶体振荡器PackagedCrystalOscillator（PXO）最简单和最适用的、其基本控制元件为晶体元件的振荡器。由于不采用温度控制和温度补偿方式，它的频率－温度特性主要由所采用的晶体元件来确定。
2、电压控制晶体振荡器VoltageControlledCrystalOscillator（VCXO）用外加控制电压偏置或调制其频率输出的晶体振荡器。VCXO的频率－温度特性类似于PXO，主要由所采用的晶体元件来确定。
3、温度补偿晶体振荡器TemperatureCompensatedCrystalOscillator（TCXO）包括数字补偿晶体振荡器 （DCXODigitallyCompensatedCrystalOscillator）和微机补偿晶体振荡器 （MCXOMicrocomputerCompensatedCrystalOscillator）。器件内部采用模拟补偿网络或数字补偿方式、利用晶体 负载电抗随温度的变化而补偿晶体元件的频率－温度特性，以达到减少其频率－温度偏移的晶体振荡器。
4、恒温控制晶体振荡器OvenControlledCrystalOscillator（OCXO）至少是将晶体元件置于隔热罩里（如恒温槽）控制其温度，以使晶体温度基本维持不变的晶体振荡器。
5、电压控制－温补晶体振荡器（VCTCXO）温度补偿晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。
6、电压控制－恒温晶体振荡器（VCOCXO）恒温晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。
二、晶体振荡器主要参数
★频率准确度：在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度（252℃）以及其他条件保持不变，晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差，即（fmax-fmin）/f0；
★温度稳定度：其他条件保持不变，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即（fmax-fmin）/（fmax+fmin）；
★频率调节范围：通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。频率调节的作用是：
①将输出频率调节到该频率范围内的某一预定值；
②由于老化或其他原因，晶体振荡器的输出频率产生偏移，将输出频率调到规定值。
★调频（压控）特性：包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。
①调频频偏：压控晶体振荡器控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。
②调频灵敏度：压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。
③调频线性度：是一种与理想直线（最小二乘法）相比较的调制系统传输特性的量度。通常是以在规定范围内偏离理想直线的百分数表示
★负载特性：其他条件保持不变，负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。
★电压特性：其他条件保持不变，电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。
★杂波：输出信号中与主频无谐波（副谐波除外）关系的离散频谱分量与主频的功率比，用dBc表示。
★谐波：谐波分量功率Pi与载波功率P0之比，用dBc表示。
★频率老化：在规定的环境条件下，由于元件（主要是石英谐振器）老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高 稳定晶振，由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移，往往用老化率（单位时间内的相对频率变化）来量度。如：10-8/日或10-6/年 等。
★日波动：指振荡器经过规定的预热时间后，每隔一小时测量一次，连续测量24小时，将测试
数据按S=（fmax-fmin）/f0式计算，得到日波动。
★开机特性：在规定的预热时间内，振荡器频率值的最大变化，用V=（fmax-fmin）/f0表示。
★相位噪声：短期稳定度的频域量度。用单边带噪声与载波噪声之比£（f）表示，£（f）与噪声起伏的频谱密度Sφ（f）和频率起伏的频谱密度Sy（f）直接相关，由下式表示：
f2S（f）=f02Sy（f）=2f2£（f）
f—傅立叶频率或偏离载波频率；f0—载波频率如何选择晶振 晶振的选择注意某些参数，设计工程师即可选择到适合应用的振荡器
----今天无数电子线路和应用需要精确定时或时钟基准信号。晶体时钟振荡器极为适合这方面的许多应用。
----时钟振荡器有多种封装，它的特点是电气性能规范多种多样。它有好几种不同的类型：电压控制晶体振荡器（VCXO）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、恒温箱晶体振荡器（OCXO），以及数字补偿晶体振荡器（DCXO）。每种类型都有自己的独特性能。
----频率稳定性的考虑----晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性，它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽，器件的价格亦愈高。
----设计工程师要慎密决定对特定应用的实际需要，然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。
----对于频率稳定度要求±20ppm 或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于成于±1 至±20ppm 的稳定度，应该考虑TCXO 。对于低于±1ppm 的稳定度，应该考虑OC
XO 或DCXO 。
----输出----必需考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压稳定度、负载稳定性、功耗、封装形式、冲击和振动、以及电磁干扰（EMI）。晶振器可HCMOS/TTL 兼容、ACMOS 兼容、
ECL 和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规 定。许多DSP 和通信芯片组往往需要严格的对称性（45% 至55%）和快速的上升和下降时间（小于5ns ）。
----相位噪声和抖动----在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中央频率的1Hz 之内和通常测量到1MHz 。
----振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO 和OCXO 振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。
----抖动与相位噪声相关，但是它在时域下测量。以微微秒表示的抖动可用有效值或峰
—峰值测出。许多应用，例如通信网络、无线数据传输、ATM 和SONET 要求必需满足严格的拌动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。
---- 电源和负载的影响----振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的 电源电压容差和负载下检验振荡器的性能。不能期望只能额定驱动15pF 的振荡器在驱动50pF 时会有好的表现。在超过建议的电源电压下工作的振荡器亦会呈现坏的波形和稳定性。
----对于需要电池供电的器件，一定要考虑功耗。引入3.3V 的产品必然要开发在3.3V 下工作的振荡器。----较低的电压允许产品在低功率下运行。现今大部分市售的表面贴装振荡器在3.3V 下工作。许多采用传统5V 器件的穿孔式振荡器正在重新设计，以便在3.3V 下工作。
----封装----与其它电子元件相似，时钟振荡器亦采 用愈来愈小型的封装。例如，M-tron 公司的M3L/M5L 系列表面贴装振荡器现在采用3.2×5.0×1.0mm 的封装。通常，较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。
----工作环境----振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如，高的振动或冲击水平会给振荡器带来问题。
---- 除了可能产生物理损坏，振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。这些外部感应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。----对于要 求特殊EMI 兼容的应用，EMI 是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的P C 母板布局技术，重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说，具有较慢上升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI 特性。
----对于70MHz 以下的频率，建议使用HCMOS 型的振荡器。对于更高的频率，可采用ECL 型的振荡器。ECL 型振荡器通常具有最好的总噪声抑制，甚至在10 至100MHz 的较低频率下，ECL 型也比其它型的振荡器略胜一筹