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尽管 石英晶体振荡器 的应用已有几十年的历史，但因其具有 频率稳定度 高这一特点，故在电子技术领域中一直占有重要的地位。尤其是信息技术（IT）产业的高速发展，更使这种 晶体振荡器 焕发出勃勃生机。石英晶体振荡器在远程通信、 卫星通信 、移动电话系统、 全球定位系统 （GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为 标准频率 源或脉冲信号源，提供频率基准，是其它类型的振荡器所不能替代的。小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化，是移动电话和天线 寻呼机 为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求。事实上石英晶体振荡器在发展过程中，也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。此类振荡器只有在技术上不断创新，才能延长其寿命周期，在竞争中占有优势。 振荡模式 石英晶体提供了两种共振模式，由 C1 与 L1 构成的串联共振，与由 C0、C1 与 L1 构成的 并联 共振。 对于一般的 MHz 级石英晶体而言，串联共振频率一般会比并联共振频率低若干 KHz。 频率在 30 MHz 以下的石英晶体，通常工作时的频率处于串联共振频率与并联 共振频率 之间，此时石英晶体呈现电感性阻抗。因为，外部电路上的电容会把电路的振荡频率拉低一些。在设计石英晶体 振荡电路 时，也应令电路上的 杂散电容 与外加电容合计値与晶体厂商使用的 负载电容 值相同，振荡频率才会准确符合厂商的规格。 频率在 30 MHz 以上（到 200 MHz）的石英晶体，通常工作于串联共振模式，工作时的阻抗处于最低点，相当于 Rs 。 此种晶体通常标示串联电阻（ 100 Ω ）而非 并联 负载电容。 为了达到高的振荡频率，石英晶体会振荡在它的一个 谐波 频率上，此谐波频率是 基频 的整数倍。 只使用奇数次谐波，例如 3 倍、 5 倍、与 7 倍的 泛音 晶体。 要达到所要的振荡频率， 振荡电路 上会加入额外的电容器与电感器，以选择出所需的频率。 工作原理 石英晶体振荡器 分非 温度补偿 式 晶体振荡器 、温度补偿晶体振荡器（ TCXO ）、电压控制晶体振荡器（ VCXO ）、恒温控制式晶体振荡器（ OCXO ）和数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在 日本工业 标准( JIS )中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。现以SPXO为例，简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。 石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的 压电晶体 材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借 示意图 助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由 品质因数 （Q）很高的 晶体谐振器 （即晶体振子）与反馈式 振荡电路 组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率（ 基频 或n次 谐波 频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。 石英晶体谐振器 的基本结构、（金属壳）封装及其 等效电路 如图1所示。 只要在晶体振子板极上施加 交变电压 ，就会使晶片产生机械 变形振动 ，此现象即所谓 逆压电效应 。当外加电压频率等于晶体谐振器的 固有频率 时，就会发生 压电谐振 ，从而导致机械变形的振幅突然增大。在图1（c）所示的 晶体谐振器 的等效电路中，Co为晶片 (a)石英晶体振子的结构 （b）金属壳封装示图（c）等效电路 与金属板之间的静电电容；L、C为压电谐振的等效参量；R为振动磨擦损耗的 等效电阻 。 石英晶体谐振器 存在一个串联 谐振频率 fos（1/2π），同时也存在一个 并联 谐振频率fop（1/2π)。由于Co?C，fop与fos之间之差值很小，并且R?ωOL，R?1/ωOC，所以 谐振电路 的 品质因数 Q非常高（可达数百万），从而使石英晶体谐振器组成的振荡器 频率稳定度 十分高，可达10－12/日。 石英晶体振荡器 的振荡频率既可近似工作于fos处，也可工作在fop附近，因此石英晶体振荡器可分串联型和并联型两种。用石英晶体谐振器及其 等效电路 ，取代LC振荡器中构成 谐振 回路的电感（L）和电容（C）元件，则很容易理解 晶体振荡器 的工作原理。 SPXO的总精度（包括起始精度和随温度、电压及负载产生的变化）可以达到±25ppm。SPXO既无 温度补偿 也无温度控制措施，其频率温度特性几乎完全由石英晶体振子的频率温度特性所决定。在0～70℃范围内，SPXO的 频率稳定度 通常为20～1000ppm，SPXO可以用作钟频振荡器。 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。 1TCXO的温度补偿方式 CXO，对石英晶体振子频率 温度漂移 的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型： （1）直接补偿型 直接补偿型TCXO是由 热敏电阻 和阻容元件组成的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板（PCB）尺寸和空间，适用于小型和低压小电 石英晶振 流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时，直接补偿方式并不适宜。 （2）间接补偿型 间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接 温度补偿 是利用 热敏电阻 等温度传感元件组成温度－电压变换电路，并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的 变容二极管 上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性 频率漂移 进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数（ A/D ）变换器，将 模拟量 转换成数字量。该法可实现自动温度补偿，使 晶体振荡器 频率稳定度 非常高，但具体的补偿电路比较复杂，成本也较高，只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。 2.TCXO发展现状 TCXO 在近十几年中得到长足发展，其中在精密TCXO的研究开发与生产方面，日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20?以上，主流产品降至0.4?，超小型化的TCXO器件体积仅为0.27?。在30年中，TCXO的体积缩小了50余倍乃至100倍。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm，在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90%。金石（KSS）集团生产的TCXO频率范围为2～80MHz，温度从－10℃到60℃变化时的稳定度为±1ppm或±2ppm；数字式 TCXO 的频率覆盖范围为0.2～90MHz， 频率稳定度 为±0.1ppm（－30℃～+85℃）。日本东泽通信机生产的TCO－935/937型片式直接温补型TCXO，频率温度特性（点频15.36MHz）为±1ppm/－20～+70℃，在5V±5%的电源电压下的频率电压特性为±0.3ppm，输出正弦波波形（ 幅值 为1VPP），电流损耗不足2mA，体积1，重量仅为1g。PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装，正弦波或逻辑输出，在－55℃～85℃范围内能达到±0.25～±1ppm的精度。国内的产品水平也较高，如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的 TCXO （32～40MHz）在室温下精度优于±1ppm，第一年的频率老化率为±1ppm，频率（机械）微调≥±3ppm，电源功耗≤120mw。前高稳定度的TCXO器件，精度可达±0.05ppm。 高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究课题。在小型化与片式化方面，面临不少困难，其中主要的有两点：一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小， 温度补偿 更加困难；二是片式封装后在其回流焊接作业中，由于焊接温度远高于TCXO的最大允许温度，会使晶体振子的频率发生变化，若不采限局部散热降温措施，难以将TCXO的频率变化量控制在±0.5×10－6以下。但是，TCXO的技术水平的提高并没进入到极限，创新的内容和潜力仍较大。 3.TCXO的应用 石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用 （a） (b) 图2移动通信机电路框图及其 TCXO 外观 由于TCXO具有较高的 频率稳定度 ，而且体积小，在小电流下能够快速启动，其应用领域重点扩展到移动通信系统。 图2（a）为移动通信机 射频 （RF） 电路框图 。TCXO作为基准振荡器为发送信道提供频率基准，同时作为接收通道的第一级 本机振荡器 ；另一只TCXO作为第2级本机振荡器，将其振荡信号输入到第2变频器。移动电话要求的频率稳定度为0.1～2.5ppm（－30～+75℃），但出于成本上的考虑，通常选用的规格为1.5～2.5ppm。移动电话用12～20MHz的 TCXO 代表性产品之一是VC－TCXO－201C1，采用直接补偿方式，外观如图2（b）所示，由日本金石（KSS）公司生产

作者：陈德恒  一博科技高速先生团队成员     在前文中有不少公式与计算，但其实个人觉得应用工程师要做的是知道趋势，知道影响范围，并不需要精确计算，那是软件干的事情。   最近听到一个理论，说大数据时代，人们只需要知其然，不需要知其所以然。想象一下，当我们要做一个项目时，我们可以轻而易举的知道一些其他类似项目哪些结构成功了哪些结构失败了，我们还需要理论分析干嘛呢？   这句话到底有没有道理大家仁者见仁智者见智，下面我们继续来解决我们的反射问题：Breakout区域有一次阻抗不连续，但走出该区域之后，走线从细变宽，会增加一次反射，那是不是全程按照breakout区域走线会比较好？   首先将问题进行简化，由于本身反射系数不大，第四次反射很小，假设传到RX的信号是最初的信号加上第二次反射的信号。   一段长为X的阻抗不连续，对哪个频率的影响最大呢？当相位差为（2n+1）π/2时，也就是相差二分之一波长的时候（反射一来一回，对应的X为四分之一波长）。   也就是说，当X为100mil时，第一次最大衰减的频点为15GHz，我们从S参数中可以很明显的看出：   当X为300mil时，第一次谐振频率为5GHz：   假设总线长为2000mil，而全部按照breakout区域走线的阻抗去走的话，第一次谐振频率则变成了750MHz，谐振周期为1.5GHz：     回头呼应反射系列文章的第一节，从那几张图中可以知道：   四分之一波长差的损耗为二分之一波长差损耗的30%，二分之一波长差时完全没有了，四分之一波长差时还有70%。   全反射（反射系数为1）时，在谐振频率损耗为100%，谐振频率的损耗跟反射强度有关。   看到这里估计各位看官也明白了，阻抗不连续越长，影响的频率越低。的的确确是因为阻抗不连续较短，反射淹没在上升沿当中了。   根据这套理论，我们很容易去判断设计中的一些细节对整个系统的影响到底有多大，举个例子：   信号速率越来越高是一种趋势，于是各种优化方案也被人们提了出来，这两个可能是近年来开始被大家熟悉的优化方案，加粗反焊盘上的走线或者填补走线附近的参考层，以防止反焊盘上扇出的走线阻抗偏高。可是这到底有多大的影响或者优化呢？   排除一些特殊情况（连接器，板厚较厚需要使用较大过孔等等），这一段在antipad上的走线长度大约为20mil（亲，不要把过孔pad算上哦）。   20mil的第一次谐振频率大约是多少呢？75GHz（四分之一波长）。如果我们按照二十分之一波长（影响不到1%）来算的话，对应的频率也是15GHz。您的信号需要做这样的优化吗？   看完这些之后，相信能帮助大家在工（he）程（ge）师（wan）精（sui）神和工（qiang）匠（po）精(zheng)神中间找到一个平衡点了。   这一节高速先生有给大家准备问题。问：减小反射影响的方法有哪些？  

    难得半日清闲，留一篇随笔，与各位网友共享。     当我们提到特性阻抗的时候，通常很少考虑它与频率的关系。其原因在于，特性阻抗是传输线的一个相当稳定的属性，主要和传输线的结构也就是横截面的形状有关。从工程的角度来说，把特性阻抗作为一个恒定量是合理的。说实话，搞了这么长时间的SI设计，还没碰到需要考虑特性阻抗变化的情况。     既然有网友一定要考虑这个问题，今天我们就稍稍深入一下，看看特性阻抗的真实面目。虽然没有太大的工程应用价值，但是对于理解问题还是有好处的。 特性阻抗是从理论上分析传输线时经常提到的一个量，从传输线的角度来说，它可以用下面的公式表示             --------------- Z0 =   /    L          /   ------      ^/      C L表示传输线的单位长度电感，C为单位长度电容。乍一看，似乎公式中没有任何变化的量。但是特性阻抗真的是个恒定的量吗？我们使用Polar软件对横截面固定的传输线进行扫频计算，频率范围定在100MHz~10GHz，来看看场求解器给出的结果，如下图：     你可能感到惊讶，特性阻抗随着频率的升高变小了，why？阻抗公式中那个量发生了变化？     其实这涉及到电磁学方面的一个深层次的问题。罪魁祸首是电感！！电感问题是个很复杂的问题，对电感的理论计算很繁琐，有兴趣的网友可以找资料看看电感的计算，详细的推导过程我就不在这里写了。简单的说，导线的电感由两部分组成：导线的内部电感和导线的外部电感。当频率升高时，导线的内部电感减小，外部电感不变，总电感减小，因而导致了特性阻抗减小。 我们知道，电感的定义是指围绕在电流周围的磁力线匝数。电感随频率减小，直觉告诉我们一定是导线中电流分布发生了变化。到这里我想各位网友应该豁然开朗了。趋肤效应（skin effect）你一定不会陌生。看看下面的这张图你会有更直观的感受，这是用二维场求解器仿真出来的高频时导体中电流的分布。黄色部分是电流所在位置。'     当频率升高时，电流向导线表面集中，在导线内部电流密度减小，当然电感减小。电感的本质，是围绕在电流周围的磁力线匝数，注意“围绕在电流周围”这个说法。假设存在极端情况，导线内部电流完全消失，所有的电流集中在导体表面，磁力线当然没法再内部去环绕电流，内部电感消失。导线总电感减小，减小的那一部分就是导线的内部电感。当然这种说法不严谨，不过对直观的理解问题非常有帮助。 结论： 1、传输线的特性阻抗确实和频率有关，随着频率升高，特性阻抗减小，但会逐渐趋于稳定。 2、特性阻抗的变化的原因是导线的单位长度电感随频率升高而减小。 3、这种特性阻抗的变化很小，在工程应用中一般不用考虑它的影响。知道有这个事就是了。

前面简单介绍了EMI磁珠的基本特性曲线。从磁珠的阻抗曲线来看，其实它的特性就是可以用来做高频信号滤波器。 需要注意的是，通常大家看到的厂家提供的磁珠阻抗曲线，都是在无偏置电流情况下测试得到的曲线。 但大部分磁珠通常被放在电源线上用来滤除电源的EMI噪声。而在有偏置电流的情况下，磁珠的特性会发生一些变化。下面是某个0805尺寸额定电流500mA的磁珠在不同的偏置电流下的阻抗曲线。大家可以看到，随着电流的增加，磁珠的峰值阻抗会变小，同时阻抗峰值点的频率也会变高。 在进一步阐述磁珠的特性之前，让我们先来看一下磁珠的主要特性指标的定义： Z (阻抗，impedance ohm) :磁珠等下电路中所有元件的阻抗之和,它是频率的函数。通常大家都用磁珠在100MHz时的阻抗值作为磁珠阻抗值。 DCR (ohm): 磁珠导体的的直流电阻。 额定电流：当磁珠安装于印刷线路板并加入恒定电流，自身温升由室温上升40C时的电流值。 那么EMI磁珠有成千上万种，阻抗曲线也各不相同，我们应该如根据我们的实际应用选择合适的磁珠呢？ 如需转载，请注明出处，多谢！ EMC磁珠到底是什么特性？（1） EMC磁珠到底是什么特性？（2） EMC磁珠到底是什么特性？（3） EMC磁珠到底是什么特性？（4） EMC磁珠到底是什么特性？（5） EMC磁珠到底是什么特性？（6）终结篇

让我们再来看一下下面两个不同曲线特征的磁珠A和磁珠B应用于信号线时的情况。 磁珠A和磁珠B的阻抗峰值都在100MHz和200MHz之间，但磁珠A阻抗频率曲线比较平坦，磁珠B则比较陡峭。 我们将两个磁珠分别放在如下的20MHz的信号线上，看看对信号输出会产生什么样的影响。 下面是用示波器分别量测磁珠输出端的波形图 从输出波形来看，磁珠B的输出波形失真要明显小于磁珠A。 原因是磁珠B的阻抗频率波形比较陡峭，其阻抗在200MHz时较高，只对200MHz附近的信号的衰减较大，但对频谱很宽的方波波形影响较小。而磁珠A的阻抗频率特性比较平坦，其对信号的衰减频谱也比较宽，因此对方波的波形影响也较大。 下面是上述三种情况对应的EMI测试结果。结果是磁珠A和磁珠B都会对EMI噪声产生很大的衰减。磁珠A在整个EMI频谱范围内的衰减要稍好于磁珠B。 因此，在具体选用磁珠时，阻抗频率特性平坦型的磁珠A比较适合应用于电源线，而频率特性比较陡峭的磁珠B则较适合应用于信号线。磁珠B在应用于信号线时，可以在尽量保持信号完整性的情况下，尽可能只对EMI频率附近的噪声产生最大的衰减。 如需转载，请注明出处，多谢！ MC磁珠到底是什么特性？（1） EMC磁珠到底是什么特性？（2） EMC磁珠到底是什么特性？（3） EMC磁珠到底是什么特性？（4） EMC磁珠到底是什么特性？（5） EMC磁珠到底是什么特性？（6）终结篇