石英晶体是众多电子产品所需要用到的电子元器件,被称为电子设备中的“心脏”。它被广泛应用于航天、军工、民用、日常消费类电子等场景中。
按照电子元器件功能和完成技术的不同可分为无源晶振和有源晶振。一般来说,无源晶振指所有谐振器系列,成本低,内部没有独立的起振电路,需要外部电路配合,并精准匹配外部电容才能输出电信号。有源晶振指所有振荡器系列,成本较高,但输出信号质量好,稳定度高,不受外部电路影响,内部有独立的起振芯片。
有源晶振按照工艺又可分为温度补偿晶体振荡器(温补晶振)、压控晶体振荡器(压控晶振)、一般晶体振荡器(一般工业晶振)以及恒温晶体振荡器(恒温晶振)。
一般工业晶振是没有温度操控和温度补偿设备,频率温度受所用的石英晶体确定的振荡器。它的首要特色是能够直接反应石英晶体的功能,工作频率规模通常在1~250MHz,频率安稳度为10^(-4) ~10^(-5)。一般用于中间信号和本振源。
温补晶振是一种自带补偿系统、减小温度引起频率的改变的一种石英晶体振荡器。通常采用的补偿方法是电抗法和数字法。它的特色可满足宽温度规模的需要,频率规模在1-40MHz,频率安稳度±5PPM。
压控晶振是一种用操控电压使得频率按照一定的规则发生偏移或调制的一种晶体振荡器。它首要特色是外加调制电压而发生频率改变,频率规模1~250MHz,频率安稳度±1~2PPM,高温晶振微调可完成锁相同步。
恒温晶振是一种至少能够操控石英晶体元件温度基本保持安稳的石英晶体振荡器。它通常使用热力学原理,把石英晶体或全部振荡电路放置于恒温器中来改进频率温度特性的晶体振荡器。根据特性及工艺的方法不同可分为精密和高精密晶体振荡器。它首要特色使放置于恒温槽中可不受到外界温度的影响,频率规模1~250MHz(中精度)、2.5~5~10MHz(高精度),频率的安稳度10^(-7) ~ 10^(-8)(中精度),10^(-9)~ 10^(-11)(高精度)。恒温晶振首要运用于通信基站中,是其核心元器件,首要功能是提供网络通信的同步信号源。
温补晶振是干什么的?工作原理和特点详解
温补晶振即温度补偿晶体振荡器(TCXO),是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。本身自带温度补偿功能的石英晶体振荡器,温补晶振可分为三个类别:直接补偿、间接补偿、数字式。温度补偿晶体振荡器电路通过附加温度补偿网络,使环境温度变化后晶体串联回路电容反向变化,以抵消晶体此间所产生的频率一温度漂移。参见图2温度补偿曲线,I为AT切型晶体频率一温度特性曲线,Ⅱ为晶体串联回路补偿曲线,Ⅲ为补偿后的晶体振荡器频率温度特性曲线。根据补偿网络和所接位置,将温补晶振分为直接补偿和间接补偿晶振。
图2 温度补偿曲线
直接补偿热敏电阻,电阻和电容组成温补网络,直接串接在晶体电路。图3是一个应用实例。
图3 直接补偿温补电路
间接补偿基准电压通过电阻,热敏电阻构成的补偿网络,产生一视温度而变的电压以改变石英晶振负载电容,反向补偿晶体频率一温度特性。它分为模拟式、数字式两种。
模拟式间接补偿:补偿网络输出电压直接驱动一变容二极管图4是间接模拟温补电路,补偿网络与变容管间加了一级T型滤波器。这种补偿有线性、3阶、5阶和7阶数种,能够在-40℃ ~ +85℃宽温范围内获得较好的补偿,目前应用最为广泛。有的地方已将它作成专用集成芯片。
图4 间接模拟温补电路
数字式间接补偿:由温度传感器送出的信号进入ADC变成数字信号,控制/PC正常运作,由DAC再变成模拟信号,经匹配电路驱动变容管。图6为数字温补前后的曲线。因为补偿电路较复杂,成本较高,一般后的曲线。因为补偿电路较复杂,成本较高,一般出了目前国外的先进水准,供参考。对晶体频率温度特性进行温度补偿,目的是让晶振频率温度特性曲线尽量接近一条直线。而由晶体频率温度特性知道若能保持晶体工作高温拐点( Turning point)处,晶振的频率一温度稳定性自然会作的很高。因为此处df/dt=0。
图5 数字式TCXO方框图
图6 间接数字式温补曲线
表1 各种温补性能
来源:亿佰特物联网实验室