标签: 无源晶振

电子设备中，晶体振荡器是提供稳定时钟信号的关键组件。随着对频率稳定性要求的提高， 普通晶振 在某些场景下已经无法满足需求，因此 高稳定性晶体振荡器(简称：高稳晶振) 应运而生。如果您需要更高精度的时钟信号，建议您考虑使用高稳晶振，确保设备在复杂环境下依然能保持稳定可靠的运行。晶体能够利用压电效应在外加电场作用下产生稳定的振荡信号。由于石英材料具有极高的 品质因数Q值 ，晶振能够提供精准的频率输出。根据不同的需求，晶振可以分为 无源晶振和有源晶振 ： 无源晶振：本身不含振荡电路，需要与MCU或外部振荡电路配合使用。 有源晶振：内部集成了振荡电路，直接输出稳定的时钟信号，无需额外电路支持。 随着电子设备对高精度时钟的需求不断增加， 高稳晶振 成为重要的升级选择。常见的高稳晶振有 温补晶振TCXO 和 恒温晶振OCXO ，在不同的应用场景下表现出更高的频率稳定性。 普通晶振 高稳晶振 频率稳定 受温度、电压、老化影响较大，通常在±10ppm~±100ppm TCXO具有温度补偿，可达 ±0.5ppm；OCXO具备恒温控制，可达±0.001ppm 温度 随温度变化较大， 频率漂移 明显 TCXO通过电路补偿温度影响；OCXO采用恒温腔，极大降低漂移 老化 长期使用频率漂移较大，每年可能漂移±3ppm以上 TCXO每年漂移 ±1ppm；OCXO可低至±0.02ppm 功耗 低功耗，通常在毫瓦级 TCXO功耗略高；OCXO由于恒温控制，功耗可达百毫瓦到瓦级 成本 低成本，适用于大规模量产 TCXO成本较高，OCXO最高，适用于高端应用 应用 计算机、家电、一般通信设备 TCXO应用在GPS、无线通信；OCXO应用在高精度测量、卫星通信 在选择晶振时，需要考虑应用的具体需求： 如果对成本敏感，且频率稳定性要求不高，可以选择普通晶振。 如果环境温度变化较大，但仍需较高的稳定性，建议选择温补晶振。 如果对频率精度和长期稳定性要求极高，恒温晶振是最佳选择。

选择合适的晶振类型对电路的性能和可靠性都十分重要。我们可以通过外观特征、引脚数量、功能、测试等方法辨别无源晶振和有源晶振。 1. 外观 无源晶振一般为两、四引脚贴片封装。外壳上通常标有频率，和 负载 。 有源晶振有四、六、八引脚封装选择。外壳上除了频率，还有可能与电压，波形，类型，生产日期等信息。 2. 引脚功能 无源晶振通常有两到四个引脚，其中两引脚需要匹配外部谐振电路才可以输出信号，自身无法振荡 有源晶振一般有四个引脚，分别用于电压、接地、输出、三态端。 3. 测试方法 无源晶振不需要外部电源供电。将无源晶振接入振荡电路，观察是否需要额外的电源供电和是否能独立产生时钟信号。S&A250B是晶体的专业测试设备。 有源晶振需要外部电源供电，通常为3.3V或5V。有源晶振在接入电源后可直接输出稳定的时钟信号。晶体振荡器的测试设备S&A280B主要用于测量晶振的频率、等效电阻和谐振频率等关键参数评估晶振的性能和可靠性。 4. 应用场景 无源晶振常用于对成本和功耗敏感的应用，如消费类电子产品。 适合对精度要求不高的场合。 有源晶振适用于高精度、高稳定性的应用，如通信设备和工业控制系统。常用于需要快速启动和高频率稳定性的场合。

负载电容是晶体振荡器电路设计中的一个关键参数。对晶振的频率特性和稳定性有直接影响。负载电容不是单个元件的电容，而是由晶振两端外接的电容以及电路中的寄生电容一起形成的总电容。 合适的负载电容是确保晶体振荡器稳定工作的关键步骤。不合适的负载电容可能导致以下问题： 1. 频率偏移 ：如果负载电容过大或过小，晶体的振荡频率可能会偏离其标称值，导致系统时钟不准确。 2. 启动问题： 不合适的负载电容可能导致振荡器难以启动，特别是在电源电压较低或温度变化较大的情况下。 3. 稳定性差： 负载电容不匹配可能导致振荡器的频率稳定性变差，影响系统的可靠性。 4. 功耗增加： 不合适的负载电容可能导致电路的功耗增加，影响电池供电设备的续航时间。 5. 信号完整性问题： 频率不稳定可能导致信号完整性问题，影响数据传输和处理的准确性。 负载电容是指晶体振荡器在其标称频率下稳定工作所需的电容值。它由外部电容和电路板的寄生电容共同决定。 1. 晶体规格书 : 无源晶振的规格书上可以找到负载电容值。以KOAN谐振器KX32为例，负载电容为8~32pF之间。 2. 估算寄生电容 :电路板上的寄生电容是不可避免的，主要来自PCB走线和焊盘的电容。一般寄生电容值在2~5pF之间。估算寄生电容是选择合适外部电容的关键步骤。如果寄生电容较低(如1-2pF)，通常选择较小的负载电容(如12.5 pF)可能更合适。较低的寄生电容意味着需要通过外部电容来补偿更多的负载电容，以达到总的CL。 以下是估算寄生电容的方法： 1） 大多数PCB设计软件有提取寄生参数的功能，可以估算焊盘和走线的寄生电容。 2） 使用电容表测量实际电路板上的电容值。将晶体移除并测量晶体安装位置两端的电容。 3 ） 根据类似电路设计的经验值进行估算，通常可以作为初步的参考。 3.计算外部电容 ：根据晶体的负载电容和寄生电容，计算外部电容C1、C2: 假设你选择的晶体的负载电容为18pF，估算的寄生电容为3pF，则需要两个30pF的外部电容。 4. 测试： 使用频率计或示波器检查振荡频率是否在预期范围内。如果测试结果不理想，可以通过调整外部电容值进行优化。在设计阶段，可以使用可调电容器进行微调，以找到最佳的负载电容值。

在谐振器(无源晶振)S&A250B测试软件中，DLD1到DLD7主要用于分析晶体在 不同驱动功率下的阻抗变化 。此外，还有其他DLD参数用于 反映晶振的磁滞现象，以及其频率和功率特性 。这些参数可以帮助工程师全面了解KOAN晶振在不同功率条件下的动态特性，从而优化其应用和性能。 磁滞现象 晶振的磁滞现象(Hysteresis)是指在驱动功率变化时，晶体的阻抗或频率无法立即恢复至初始状态，而表现出 滞后效应 。 1. DLDH： Hysteresis Ratio (MaxR/MinR) 在不同驱动功率下，晶体的最大阻抗与最小阻抗的比值。比值越大，说明阻抗变化幅度越大，晶振在功率变化中的非线性程度更高。DLDH用于量化功率变化过程中磁滞现象的相对程度。 2. DLDH2： Hysteresis Difference (MaxR - MinR) 在不同驱动功率下，晶体最大阻抗和最小阻抗的绝对差值。直观反映阻抗变化的幅度。DLDH2帮助分析晶振的功率响应范围和非线性行为。 3. DLDH2P： Power Level of Max Hysteresis (MaxR - MinR) 晶振在磁滞扫描中，最大阻抗与最小阻抗差值达到最大值时的驱动功率。确定晶振在特定功率范围内的性能瓶颈或非线性峰值。DLDH2P帮助优化驱动的条件，避免晶振工作在影响性能的功率范围内。 阻抗变化分析 阻抗变化是晶振性能的关键指标，直接关系到其与电路的匹配程度及振荡的稳定性。 1. DLDHP： Power of Worst Impedance Ratio (Rmax/Rmin) 最大阻抗与最小阻抗的比值达到最差值时的驱动功率。表征晶振在极端条件下的阻抗变化。DLDHP用于评估晶振在最恶劣功率条件下的可靠性和稳定性。 频率与功率特性 频率和功率参数用于评估激励功率对晶振性能的具体影响，并对测试设备和设计进行校准。 1. DLDF： Frequency at a Specific DLD Step 在特定驱动功率下，晶体的振荡频率。反映驱动功率对振荡频率的微小影响，检测频率稳定性。DLDF用于分析KOAN晶振是否满足高精度应用的要求。 2. DLDFP： Power Output at a Specific DLD Step 某一特定功率点的实际功率输出。检测是否存在功率耗散或驱动功率偏差。校准测试设备，确保测试条件的准确性和一致性。 3. DLDR： Resistance at a Specific DLD Step 特定功率下的晶振等效阻抗。评估激励功率对阻抗的影响，观察阻抗随功率变化的趋势。改善电路与晶振的阻抗匹配，确保振荡器稳定起振。

石英晶体作为时间或频率基准源，其性能直接影响系统的稳定性和精度。了解串联谐振频率FR和负载谐振频率FL这两个关键参数，可以有效改善电路设计，确保系统在各种条件下稳定运行。 串联谐振频率 FR FR(Series Resonant Frequency)是指晶振在没有外部负载电容的情况下，由晶体本身的机械和电气特性决定的自然振荡频率。 等效电感L1: 由石英的机械质量决定的。 等效电容C1: 由石英的硬度，电极面积，晶片的厚度和形状决定的。通常，较大的晶片，通常有较低的谐振频率。 在FR时，晶振的等效电路表现为一个纯电阻，这时电路的阻抗最低，能量传输效率最高。它是晶体的固有频率，不受外部电路的负载电容影响。这个频率是晶体本身的特征，由晶体的几何结构，和材料性质决定。 负载谐振频率 FL FL(Load Resonant Frequency)是晶振在25℃和特定负载电容条件下测出来的实际工作频率。FL也被称为调整频率或调整频差。 FL的值通常比FR大，因为负载电容引入了相移和改变了电路的共振条件。通常用ppm来表示负载电容对晶振频率的变化。FL误差值越小，越容易调整电路稳定性。 TS频率灵敏度表示晶振频率随着负载电容变化而产生的变化量，单位为ppm/pF。调整频差FL和负载电容CL的关系： 测试数据 S&A250B晶振测试设备中包含FL和FR参数的测试。以下为KOAN无源晶振KX70, 8MHz频率的实测数据: FR为-152.16ppm： 晶振的串联谐振频率FR比其标称频率低152.16ppm。这是晶振在无负载电容的情况下的频率偏差。这种偏差可能是由于晶振的制造误差、材料特性或温度变化引起的。 FL为1.05ppm： 在特定负载电容条件下，koan晶振的频率相对于标称频率的偏差为1.05ppm。在负载电容的影响下，晶振的频率变化非常小，频率稳定性较好。 测试结果表明： 尽管晶振的FR存在较大的偏差，但在负载条件下的FL稳定性良好。该晶振在实际工作条件下的性能较为稳定。尽量确保负载电容与晶振的设计负载电容匹配，以维持最佳性能。