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有源晶振频率稳定性 我们在购买有源晶振时，发现人们对晶体振荡器的稳定性存在许多误解。更具体地说，通常我们发现有几种不同类型对有源晶振频率稳定性影响的常见问题，包括： 频率与温度的稳定性 频率与负载稳定性 频率与电源稳定性 艾伦偏差(ADEV) 在这篇文章中，你可以了解到更多关于有源晶振产品频率稳定性的这些因素的造成和如何进行改善。 有源晶振频率与温度的关系 晶体的特性告诉我们：晶体是一个受温度影响的电子元器，所以温度是导致频率漂移的最主要原因，因此被放在首位。湿度和压力的影响更大(以十亿分之一为单位)，但只要使用真空或氮气等惰性气体对晶体进行密封包装，就能轻松解决这些环境影响。 有源晶振产品在标准范围内的温度变化会可能只有几十ppm的频率漂移，但是如果在极端温度下会进一步恶化，更高的频率漂移，及到有可能会导致停止振荡(工作)。 对于许多应用而言，冷却风扇等简单的系统级解决方案并不实用，但可以在振荡器集成电路 (IC)中设计精确控制，以感知和补偿环境温度变化, 这方面的解决方案，我们有TCXO(温度补偿晶体振荡器)、VCXO(压控晶体振荡器和OCXO(恒温控制晶体振荡器)，我们也要了解有源晶振的稳定性额定值(通常以常温25℃为特征)，但这并不代表有源晶振产品在整个温度范围内的精度，只代表了在常温25℃时的频率公差。 温度补偿晶体振荡器(TCXO) 有一个内部温度传感器，集成电路利用它来调整晶体的频率。 晶振产品-TCXO温补晶振 压控晶体振荡器(VCXO) 可通过外部施加的电压调节频率。VCXO 在频率调制(FM)和锁相环 (PLL)系统中有着广泛的应用。变容二极管本质上是一个可变电压电容器，可通过电压控制频率。 晶振产品-VCXO压控晶振 恒温晶体振荡器(OCXO) 最耐温度变化。它把晶体装在一个外壳中，外壳中的专用电路可加热晶体周围的区域。这样可以保持恒温，无需进一步的漂移补偿。在正常工作条件下，OCXO 的漂移最小。 晶振产品-OCXO恒温晶振 有源晶振频率与负载的关系 电容负载会影响频率。晶体振荡器必须与不同的负载相匹配，以考虑到晶体元件的多样性。 还必须考虑最大驱动功率，以防止过度驱动。如果石英晶体长期工作在超过预期最大功率的过驱动条件下，就会很快老化。 甚至电路板上的位置也会影响电容负载，这意味着需要重新定位晶体本身或重新布线其他元件。所有这些都是潜在的机械共振源，必须在振荡器电路设计过程中加以考虑和测试。 振荡器频率与工作电压的关系 改变工作电压会导致振荡电路的有效电阻发生变化，从而导致频率漂移。一种解决方案是使用稳压电源，确保输出电压始终保持在电源的额定值，而不管器件消耗的电流是多少。所以在购买晶振时需要注意有源晶振的工作电压的规格，以确保晶振工作的稳定性。 ADEV-艾伦偏差 阿伦偏差(阿伦方差的平方根)用于测量频率稳定性。在这些设备中，有两种相位噪声成分，标准偏差无法通过直接重复测量来解决：白频噪声和闪烁频率噪声。ADEV为两个或多个振荡器之间的相位或频率测量时间序列提供了有意义地分离噪声形式的方法。

RF工程师在设计电路时要做出一个重要的决定：选择正确类型的振荡器并确定最适合应用的信号输出。在本文中，KOAN凯擎小妹将介绍温补振荡器(TCXO)及其产生的削波正弦波(Clipped Sine)。 OCXO对比TCXO 恒温晶振OCXO将高精度的晶体和振荡电路放置于恒温槽中。恒温槽保护晶体不受到外部温度变化的影响，从而避免石英晶体频偏，达到稳定的频率输出。然而，高功耗是OCXO的主要缺点，不适合使用在含有电池的设备中。其次，恒温晶振需要较长的预热时间，随着运行状态的稳定，耗电量也会稳定。 温补晶振TCXO利用压电晶体的物理特性，通过温度补偿电路减少环境温度对振荡频率的影响，从而提高频率稳定性。 相比较，TCXO只需要OCXO的1%的电流消耗，而且预热时间短。在很多应用中，TCXO是一种更经济的选择。 Sine对比Clipped Sine 所有的无源晶振都是正弦波Sine输出，也是晶振的默认输出波形。削峰正弦波Clipped Sine是通过限制信号的输出来防止到达最高点或最低点。在不衰弱相位噪声性能的条件下，创造出的方波输出。 削峰正弦波输出TCXO TCXO频率精度和温度特性远高于普通振荡器，低于恒温晶振。但不需预热且功耗低，从而在野外作业，移动设备，通讯导航设备中广泛应用。削峰正弦波输出的TCXO具有低功耗，更好的老化率和频率稳定性，以及相位噪声优于CMOS输出。 KOAN解决方案: KT__CS KOAN-TCXO系列有多款波形可供选择(CMOS, LVDS, Sine, Clipped Sine)。其中，削峰正弦波TCXO有贴片(1612~7050尺寸）和直插(DIP14)

与普通时钟振荡器相比较，温补晶振在温度频率稳定度方面有更大的优势。TCXO主要利用附件的温度补偿电路减少环境温度对振荡频率的影响。温补晶振产品页面上可以快速根据尺寸，波形，以及功能进行型号筛选： 以KT70为例，必须选择的参数为频率，电压，是否需要电压调整，以及温度频差和温度范围： 1. 频率范围：根据不同的输出波形和尺寸，频率范围会不一样。 CMOS：最高可到250MHz，32.768KHz低功耗温补晶振(KT3225, KT7050) LVDS差分输出: 高频温补晶振最高可到1.5GHz（KD326D, KD706D) True Sine准正弦波: 负载阻抗50Ω，谐波分量小。其应用于射频信号处理，频率源等。频率范围10MHz~200MHz (KT14S) Clipped Sine削峰正弦波:谐波分布小，驱动能力比方波弱，负载10k//10PF时Vp-p为0.8Vmin。直插晶振最高频率为60MHz，贴片封装为52MHz (例如：KT14CS) 2. 工作电压: 电压以伏特为单位，是振荡器所需要的输入电源。电源电压通过VDD/Supply Voltage引脚供电。 3. 电压调整: 一般频率调整范围为±50~±200ppm。改变外加调整电压的大小，能改变容性负载CL的值，从而实现频率的调整。 4. 温度频差vs温度范围: 对应工作温度范围，温度带来的最大频率偏差，这是衡量TCXO温度补偿功能的重要指标。这个指标也是区分精度等级的标准。 5. 频率温度稳定度v.s. Aging(年老化率)：一般给出标准使用条件下首年的老化数据。 Voltage Change(电压变化)：供电电压变化带来的频率偏差。例如，+/-0.1ppm @ VCC=2.8V ± 0.14V. Load Change(负载变化)：负载频率特性，负载在额定条件下变化带来的频偏偏差，例如，+/-0.1ppm @ 10k Ω//10pF ±10% each. 6. 相位噪声和抖动: 从频域来看，对应的参数是相位噪声（Phase Noise）；从时域来看，对应的参数是抖动（Jitter）。

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。

温补振荡器（Temperature Compensation Xtal Oscillator)是利用附件的温度补偿电路以减少环境温度对振荡频率的影响。XO是石英晶体振荡器；TCXO则是带有温补特性的晶振。普通时钟振荡器KS系列有很好的温度稳定性（以KS70为例），-20~70℃最好为±10ppm，-40~85℃最好为±20ppm，但是仍然受着温度的影响。相比之下，温补晶振（以KT70为例），在两个温度范围中最好均可达到±1ppm。TCXO比XO有更好的性能，尤其是在温度频率稳定度方面。野外作业，移动设备，通讯设备中广泛应用。TCXO也有直插和贴片两种封装的选择。 温补晶振由以下五个部分组成： 01补偿网络Compensation Network 补偿网络是系统运行的关键。TCXO的温度补偿方法分为直接补偿型，和间接补偿型。 直接补偿是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路。在温度有所变化时，热敏电阻的组织和晶体等效串联电容的容值相应变化而减少振荡频率的温度漂移。这种方法成本低，电路简单；然而并不适合小于1ppm精度的应用。 间接补偿分为模拟和数字两种形式。 模拟：利用热敏电阻等温度传感元件组成。这种方式可以实现0.5ppm的精度。 数字：利用补偿电路的温度和电压变化，再加A/D变换器，将模拟量转换为数字量，从而实现自动温度补偿。这种方法成本 高，电路复杂，适用于高精度的应用。 02振荡器上拉电路Pulling Circuit 一旦产生电压，就将其施加到可以拉低晶体振荡器频率的电路上。包含一个变容二极管和一些低通滤波。 03振荡器电路本身Crystal Oscillator 晶体振荡器电路的一个标准电路。 04稳压器Voltage Regulator 该组件是一种“保护机制”，目的是调节从外部施加到TCXO的电压，以防止TCXO内部的电压波动，例如电噪声引起的波动。 05缓冲放大器Buffer Amplifier 是另一种保护机制，目的是输出负载电容的变化不影响谐振频率的精度。 部分直插TCXO可以进行外部调整，以使频率能够定期重置，得以消除晶体老化的影响。校准调整时间间隔取决于所需的精度，但通常可能为六个月或一年。如果需要非常高的精度，则可以使用更短的时间。