标签: 温补晶振

在电子系统设计中，直观的想法往往是“需要多少频率，就选相应频率的晶振”。但在通信设备、处理器和高速数字系统中，我们更常见的方案却是：先选用一颗稳定的低频晶振，再通过倍频或PLL生成所需的高速时钟。这种设计并非多此一举，而是由晶振的物理特性和系统级稳定性共同决定的。 晶振的物理特性 石英晶体振荡器依赖石英的机械谐振特性工作。晶振频率越高，晶片就需要加工得越薄，对工艺精度、封装和环境的要求也随之提高。这不仅增加了制造难度，还会带来一致性下降、老化加快和稳定性变差等问题。 在工程实践中，几十MHz以内的晶振技术最成熟，频率稳定度高、相位噪声低、对电源和PCB布局也相对不敏感。而直接使用高频晶振，往往更容易受到电源噪声、负载变化和布线寄生参数的影响，反而不利于系统整体稳定。 倍频与锁相环的作用 为了在保证稳定度的前提下获得更高频率，现代高速系统几乎都依赖锁相环PLL进行频率合成。PLL以低频晶振作为参考源，通过闭环控制，使内部振荡器输出与参考频率保持固定倍数关系。一旦PLL锁定，高频时钟的长期频率准确度直接继承自参考晶振，而不取决于内部振荡器本身的绝对稳定性。 倍频系统中的晶振选择 从系统角度看，晶振并不是一个孤立的频率器件，而是整个时钟体系的基础。在倍频和频率合成应用中，更合理的思路是围绕系统瓶颈分层选择方案： 大多数应用优先选用低相位噪声晶振； 当温度变化或长期稳定性成为关键因素时，再在此基础上采用温补晶振TCXO。 - 低相位噪声晶振 - 参考源中的相位噪声和抖动，往往会随着倍频被一同放大。因此，在以低频晶振作为PLL参考源的系统中，优先选择低相位噪声、适合频率合成应用的晶振尤为关键。 KOAN有多款低噪声特性晶振可供选择： 4引脚，6引脚，8引脚；CMOS输出 ， LVDS输出，HCSL输出 等。 - 温补晶振 - 在工业控制、户外通信或对长期频率一致性要求较高的应用中，温度变化往往成为主要挑战。普通晶振的频率会随温度漂移，当这种漂移影响系统性能时，就需要进一步提升参考源的温度稳定性。 温补晶振TCXO 通过对晶体温度特性的补偿，使频率在较宽温度范围内保持更高一致性，从而提升整个倍频与频率合成系统在复杂环境下的可靠性。 KOAN晶振有各尺寸的温补晶振可供选择： 贴片1612，2016，2520，3225， 5032，7050；直插DIP14；CMOS输出，LVDS输出，True Sine输出， Clipped Sine输出 等。

石英晶振决定着设备的节奏与精准度，但温度变化会让晶振的频率悄悄偏移，从而影响通信、定位和时钟同步的稳定性。晶振温度补偿可通过补偿温度带来的频率漂移，让系统在各种环境下都保持高精度运行。 1.温度对晶振的影响 当温度变化时，晶体内部原子间距会发生微小变化，使得材料的弹性常数也随之改变。环境温度升高或降低，晶振的频率就会“跟着跑偏”。 不同切割角度使晶振在温度变化下的应力响应各不相同。今天，对比一下常见的三种切割方式：AT切，BT切，SC切。 AT 切： 应用最广的切割方式，属于 厚度剪切振动模式 ，常用于0.5MHz ~ 300MHz的频率范围。它在25℃附近温度最稳定。温补晶振一般用AT切晶片。 BT 切： 厚度剪切模式的晶体。切割角度比AT切更大，常用于0.5MHz ~ 200MHz频率范围。它具有良好的重复一致性和较高的频率常数2.536 MHz⋅mm，能更容易做出高频晶体。BT-cut通常用于对温度要求高、环境恶劣的工业类设备或功率应用。 SC 切： 双角度旋转的应力补偿切割。它的频率范围更宽，约0.5MHz ~ 3200MHz，能在较大温度范围内保持极高的稳定度。制造工艺最复杂，需要精密的研磨和角度控制。但它几乎消除了机械应力对频率的影响。恒温晶振多用SC切晶片。 2. 温度补偿的三种主要方式 尽管不同切型在一定程度上优化了温度特性，但温漂依旧无法完全消除。于是，为了进一步提升频率稳定度，可以使用温度系数补偿技术。 被动补偿： 通过在振荡电路中引入温度敏感元件（如NTC热敏电阻、二极管或热敏电容），让整体电容随温度自动变化，从而部分抵消频率漂移。 主动补偿： 利用 “ 温度传感器 +MCU+DAC+ 可变电容阵列 ” 构建闭环系统，实时监测温度并数字控制振荡频率。其特点为：MCU实时采集温度；通过查表或算法修正频率偏差；可实现±0.1~±0.5ppm的高稳定度；广泛应用于DTXO数字温补晶振与DCXO数字控制晶振。 恒温控制： 在带有微型恒温炉的腔体中加热晶体，使其工作在恒定且最稳定的高温点，通常70～90℃。其特点为：最高稳定度可达±0.005～±0.01ppm；启动时间长、功耗高；适用于对频率要求极高的基准时钟与实验设备。 3.工程实现关键要点 温度补偿并不是简单的“测温修正”，它需要从设计到制造综合考虑多项因素，才能保证晶振在不同温度下依然稳定。 ·温度传感精度：传感器需达到±0.5℃以内，否则补偿曲线会偏离。 ·出厂标定：在−40℃～+85℃区间采样频率，拟合出晶体的温漂模型。 ·补偿算法：常用三次多项式或查表修正：如Δf = aT³ + bT² + cT + d ·可变电容分辨率：分辨率越高，调节越平滑，补偿线性更好。 ·长期老化补偿：通过自校准算法定期修正漂移，保持长期稳定。

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。

我司深圳市晶科鑫实业有限公司今天主要是想给大家讲解一下TCXO温补晶振的一些基础知识和一些重要的性能参数，给大家在选购TCXO温度补偿晶体振荡器时有一个简单的了解！ TCXO英文全称Temperature Compensated Crystal Oscillator温度补偿晶体振荡器，TCXO温补晶振，大部分TCXO温补晶振周围是没有外壳，所以不能防止环境温度影响频率。而TCXO内部结构图，则取而代之的是，TCXO包含一个补偿网络(热敏电阻)，该网络能够感测环境温度的变化，并调整施加在晶体上的电压，使其与这些变化完全相反。以这种方式校正电压可以抵消周围空气温度变化的影响，并保持频率稳定。 标准TCXO温补晶振内部结构图 标准的TCXO温补晶振产品具有相当多的性能参数。一些最常见的性能数据总结如下： TCXO温补晶振ppm精度性能：TCXO的温度性能优于普通晶体振荡器。普通晶体振荡器的频率稳定性，常温为±10ppm或更大，温度频率精度为±20ppm乃至更大，而TCXO温补晶振常温25°C时为±1.5ppm乃至更小，而温度稳定性可以从±0.1ppm~±2.0ppm，精度可以看到好到10到40倍的改善。 功耗：鉴于需要额外的电路，TCXO的功耗将大于普通振荡器。此外，成本也更高。还应记住的是，TCXO温补晶振在启动后需要一小段时间才能稳定下来。这个时间可能是100ms，也可能更长，取决于设计。 TCXO可以根据其设计方式和最终用户的要求提供各种封装。最常见的结构形式是在小型印刷电路板上构建电路，该电路板可安装在板状金属封装中。这样就可以安装到整个设备的主电路板上。由于晶体本身是密封的，这意味着整个 TCXO 封装的密封性并不重要，甚至在大多数应用中都不需要密封。 TCXO封装：TCXO可以根据其设计方式和最终用户的要求以各种封装形式提供。目前最常见的结构方式也是像普通晶体振荡器一样的贴片封装和插件封装，比较特殊点的结构形式是在小型印刷电路板上构建电路，该电路板可以装在电镀金属封装中。然后，这适用于安装到整个设备的主电路板上。由于晶体本身是密封的，这意味着整个TCXO封装的密封并不重要，甚至大多数应用都不需要密封。目前TCXO温补晶振产品贴片封装系列最小尺寸可以做到SMD1612(1.6×1.2)，比较常规的尺寸有SMD1612(1.6×1.2)、SMD2016(2.0×1.6)、SMD2520(2.5×2.0)、SMD33225(3.2×2.5)、SMD5032(5.0×3.2)、SMD7050(7.0×5.0)、SMD1409(14.0×9.0)等，插件封装主要有全尺寸DIP14(20×12)这个系列。 输出信号：TCXO温补晶振我们常见的输出信号有削峰正弦波和CMOS较多，有少部分输出信号有LVDS、LVPECL、HCSL、CML等差分信号输出。但是较多的还是削峰正弦波，相对CMOS输出信号，优点有非谐波抑制、电磁干扰减少、温度稳定性好、相位噪声好、低功率、频率稳定性好等优点。如果需要正弦波输出，则必须在一开始就选择正弦波输出，但这就将限制可供选择的范围。 图为削峰正弦波输出波形(在正弦波的波峰上削峰,其波形更接近于方波CMOS) 电源要求：实际功率要求取决于设备。但市场上主流的供电电压采用3.3V的供电，功耗可能最低至2.0 mA，如果使用1.8V的电源供电，功耗可做到更低，削峰正弦波的功耗要比CMOS的功耗要低，差分信号输出则功耗更高。

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。 温补晶振TCXO的波形输出包括CMOS, LVDS, HCSL,削峰正弦波。 KT_CS 削峰正弦波是常见的输出波形，今天凯擎小妹聊一下温补晶振(KT)中削峰正弦波(CS)这类晶振。在正弦波的波峰上削峰，更接近于方波。 这样的波形有以下优势： 1. 非谐波抑制： 通过削峰技术有效减小非谐波频率的振幅，降低了相位噪声水平，提高了信号质量。 2. 电磁干扰减少： 降低了谐波成分，有助于减小电磁干扰，使其在对EMI要求较高的应用中具备优势。 3. 温度稳定性好： 在温度变化下仍能保持稳定的振幅特性，通过温补技术提高了频率在不同温度条件下的稳定性。 4. 相位噪声改善： 相对于完整正弦波，削峰正弦波的输出在相位噪声方面表现更好，适用于对相位稳定性有严格要求的应用。 5. 低功耗： 削峰正弦波输出通常导致比生成完整正弦波更低的功耗。这对于对功耗有严格要求的应用非常重要，比如在电池供电的设备中或具有严格功耗限制的应用中。 6. 频率稳定好： 削峰正弦波TCXO的设计允许更好地控制和稳定输出频率，确保振荡器的性能符合所需的规格。 温度补偿电路 温补晶振TCXO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。温度补偿分为直接补偿和间接补偿(模拟或数字)。 1. 直接补偿： 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，热敏电阻的阻值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。 2. 模拟补偿： 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。 3. 数字补偿： 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。 koan温补晶振 1. 其它波形：温补晶振除了削峰正弦波，还有CMOS, LVDS, HCSL等选择。 2. 32.768kHZ低功耗：KT3225为32.768KHz低功耗特性，工作电流可达到：0.79μA @1.8V；1.05μA @2.5V；1.25μA @3.0V；1.37μA @3.3V；2.05μA @5V。 3. 温度频差±1.0ppm：在-40~+85℃的工作范围中，TCXO的温度频差可以达到±1.0ppm