原创 晶振的频率温度特性及应用考虑

2022-6-16 08:53 2164 15 7 分类: MCU/ 嵌入式 文集: 技术
石英晶体谐振器(Quartz Crystal)是一种频率精度可达ppm级的高精密频率元件,频率绝对精度一般在50ppm左右。但是,这种频率精度会随外部环境(例如,温度)的改变而产生较大的偏离。如果采取适当的补偿电路,把石英晶片与振荡线路和集成电路(IC)封装在一个相对稳定的小环境内,成为各种类型的晶体振荡器(XO),就可输出稳定的频率信号。

晶体谐振器的频率温度关系

电子线路中,石英晶体常用作参考频率基准或频率控制元件,频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数。

不同切割角度的石英晶片的频率温度特性曲线

为了得到较好的温度特性,晶体厂家会选择最佳的石英晶片制作工艺,因为不同切割角度产生的晶体谐振器产品的温度特性各不相同。其中,AT角度切割的石英晶片适用数百MHz以内频率范围,是石英晶片应用范围最广、使用量最多的一种切割作业方式。

在线路设计及晶振选型时,良好的频率与温度(frequency versus temperature)特性是工程师主要的选择考虑之一。根据使用环境的不同,我们可基于温度参数把石英晶体振荡器分为不同等级,例如民、企、工、航天等级别,温度范围在-40℃~+150℃。

如果温度升高至极端值,额定频率的变化就开始增大,有可能达到几十ppm。对于一般民用,以及企业、网络、计算等应用,这一点是能够承受的。但是,对于导航、雷达、无线电通信、卫星通信等航天和航空应用,极高的准确度与精度要求是丝毫不能妥协的。

为了应对这种巨大的变化,就必须在系统中增加额外的补偿元件,例如OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator,恒温槽控制石英晶体振荡器)、TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator,温度补偿石英晶体振荡器)、VCXO(Voltage Controlled Crystal Oscillator,电压控制石英晶体振荡器)、PCXO(Programmable Crystal Oscillator,可编程石英晶体振荡器)等振荡器品种。

晶体振荡器的频率温度特性

把石英晶片与振荡线路或集成电路(IC)整合在一个封装内,再通过外部电源供电,就形成一个基于石英晶片的主动组件,可输出更加稳定的频率信号,这就是所谓的石英晶体振荡器。

根据封装组件内部的振荡线路及输出线路的不同,石英晶体振荡器可输出不同特性的参考频率(reference frequency),以满足不同应用的特殊需求。例如,普通石英振荡器SPXO(Simple Package Crystal Oscillator)或称为CXO(Clock Crystal Oscillator),可编程石英晶体振荡器PCXO(Programmable Crystal Oscillator),电压控制石英晶体振荡器VCXO(Voltage Controlled Crystal Oscillator),温度补偿石英晶体振荡器TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)及恒温槽控制石英晶体振荡器OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)。

四种常见石英晶体振荡器的频率温度特性对比

其中,SPXO的工作完全由晶体自由振荡完成,主要应用于稳定度要求不高的场合。

PCXO专门针对网络、储存、视频和其他嵌入式产品应用等高频率及低抖动的产品应用,内含极低抖动的PLL,因此可依需求产生任何频率。

TCXO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。根据补偿电路不同,还分为传统的TCXO,采用数字化补偿的DTCXO,用单片机进行补偿的MCXO。

OCXO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,可达到稳定输出频率的效果。OCXO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。

VCXO是为晶振增加了一项功能,带压控输入引脚的晶振就叫VCXO。所有晶振都可以根据需要增加压控功能,例如压控温补振荡器(VCTCXO)等。

可见,OCXO的频率温度特性在所有晶振振荡器类型中是最好的。随着技术的发展,除了采用更先进的晶片制作工艺外,还可以利用振荡回路中关键电子元件的温度特性,来补偿晶体谐振器自身的温漂,让晶振输出最佳的频率信号。

作者: 硬之城Allchips, 来源:面包板社区

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