指間上的石英晶振
來源：http://m.djbyg.com 作者：金洛電子 2014年07月24
晶振是從一塊石英上按一定方位角切下的薄片,簡稱晶片.是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體)的壓電效應(yīng)制成的諧振器件.晶振是單片機(jī)系統(tǒng)里的一部分,它的全稱為石英晶體振蕩器.在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器,簡稱石英晶體或晶振.
石英晶體有天然的也有人造的,是一種重要的壓電晶體材料.石英晶體本身并非振蕩器,它只有借助有源激勵(lì)和無源電抗網(wǎng)絡(luò)便可產(chǎn)生振蕩.石英晶體振蕩器分非溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)和數(shù)字化/μp補(bǔ)償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型. 其中,無溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器是最簡單的一種,在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)中,稱其為標(biāo)準(zhǔn)封裝晶體振蕩器(SPXO).
SPXO主要是由品質(zhì)因數(shù)(Q)很高的晶體諧振器(即晶體振子)與反饋式振蕩電路組成的.石英晶體振子是振蕩器中的重要元件,晶體的頻率(基頻或n次諧波頻率)及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向.石英晶體諧振器的基本結(jié)構(gòu)、(金屬殼)封裝及其等效電路.只要在晶體振子板極上施加交變電壓,就會(huì)使晶片產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng),此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng).當(dāng)外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時(shí),就會(huì)發(fā)生壓電諧振,從而導(dǎo)致機(jī)械變形的振幅突然增大.
晶振廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī),通信,電視機(jī),MP3,收音機(jī),空調(diào),DVD,玩具,汽車電子, 航天,數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域.之所以能夠在各行業(yè)適用,主要是因?yàn)榫д窨梢越Y(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路,能夠產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率,為單片機(jī)指令的執(zhí)行提供了基礎(chǔ).當(dāng)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高,該單片機(jī)運(yùn)行速度也越快.晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作,提供穩(wěn)定,精確的頻率振蕩.在通常的工作條件下,普通晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之五十.有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率,稱為壓控振蕩器(VCO).
計(jì)算機(jī)都有個(gè)計(jì)時(shí)電路,盡管一般使用”時(shí)鐘”這個(gè)詞來表示這些設(shè)備,但它們實(shí)際上并不是通常意義的時(shí)鐘,把它們稱為計(jì)時(shí)器(timer)可能更恰當(dāng)一點(diǎn).計(jì)算機(jī)的計(jì)時(shí)器通常是一個(gè)精密加工過的石英晶體,石英晶體在其張力限度內(nèi)以一定的頻率振蕩,.jpg)
這種頻率取決于晶體本身如何切割及其受到張力的大小.有兩個(gè)寄存器與每個(gè)石英晶體相關(guān)聯(lián),一個(gè)計(jì)數(shù)器(counter)和一個(gè)保持寄存器(holdingregister).石英晶體的每次振蕩使計(jì)數(shù)器減1,當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí),產(chǎn)生一個(gè)中斷,計(jì)數(shù)器從保持寄存器中重新裝入初始值.這種方法使得對(duì)一個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行編程.令其每秒產(chǎn)生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷)成為可能.每次中斷稱為一個(gè)時(shí)鐘嘀嗒.
不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘點(diǎn)都是以石英晶體振蕩器為核心電路,其頻率精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度.石英鐘點(diǎn)走時(shí)準(zhǔn),耗電省,經(jīng)久耐用為最大優(yōu)點(diǎn).在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中,石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn),同時(shí)也得到了更快的發(fā)展.許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò),無數(shù)數(shù)據(jù)傳輸,高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)?
總結(jié):1、小型化、薄片化和片式化:為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求,石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變.例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍.采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm,目 前 5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市.
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2、高精度與高穩(wěn)定度,無補(bǔ)償式晶體振蕩器總精度也能達(dá)到±25ppm,VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達(dá)±20～100ppm,而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm,VCXO控制在±25ppm以下.
3、低噪聲,高頻化,在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的,相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個(gè)重要參數(shù).OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善.除VCXO外,其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz.例如用于GSM等移動(dòng)電話的UCV4系列壓控振蕩器,其頻率為650～1700MHz,電源電壓2.2～3.3V,工作電流8～10mA.
4、低功耗,快速啟動(dòng),低電壓工作,低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢.電源電壓一般為3.3V.許多TCXO和VCXO產(chǎn)品,電流損耗不超過2mA.石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展.例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO,在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下,頻率穩(wěn)定時(shí)間小于4ms.日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMDTCXO,在振蕩啟動(dòng)4ms后則可達(dá)到額定值的90%.OAK公司的10～25MHz的OCXO產(chǎn)品,在預(yù)熱5分鐘后,則能達(dá)到±0.01ppm的穩(wěn)定度.
石英晶體有天然的也有人造的,是一種重要的壓電晶體材料.石英晶體本身并非振蕩器,它只有借助有源激勵(lì)和無源電抗網(wǎng)絡(luò)便可產(chǎn)生振蕩.石英晶體振蕩器分非溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)和數(shù)字化/μp補(bǔ)償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型. 其中,無溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器是最簡單的一種,在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)中,稱其為標(biāo)準(zhǔn)封裝晶體振蕩器(SPXO).SPXO主要是由品質(zhì)因數(shù)(Q)很高的晶體諧振器(即晶體振子)與反饋式振蕩電路組成的.石英晶體振子是振蕩器中的重要元件,晶體的頻率(基頻或n次諧波頻率)及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向.石英晶體諧振器的基本結(jié)構(gòu)、(金屬殼)封裝及其等效電路.只要在晶體振子板極上施加交變電壓,就會(huì)使晶片產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng),此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng).當(dāng)外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時(shí),就會(huì)發(fā)生壓電諧振,從而導(dǎo)致機(jī)械變形的振幅突然增大.
晶振廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī),通信,電視機(jī),MP3,收音機(jī),空調(diào),DVD,玩具,汽車電子, 航天,數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域.之所以能夠在各行業(yè)適用,主要是因?yàn)榫д窨梢越Y(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路,能夠產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率,為單片機(jī)指令的執(zhí)行提供了基礎(chǔ).當(dāng)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高,該單片機(jī)運(yùn)行速度也越快.晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作,提供穩(wěn)定,精確的頻率振蕩.在通常的工作條件下,普通晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之五十.有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率,稱為壓控振蕩器(VCO).
| 參數(shù) | 基本描述 |
| 頻率準(zhǔn)確度 | 在標(biāo)稱電源電壓、標(biāo)稱負(fù)載阻抗、基準(zhǔn)溫度(25℃)以及其他條件保持不變,晶體振蕩器的頻率相對(duì)與其規(guī)定標(biāo)稱值的最大允許偏差,即(fmax-fmin)/f0； |
| 溫度穩(wěn)定度 | 其他條件保持不變,在規(guī)定溫度范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對(duì)于溫度范圍內(nèi)輸出頻率極值之和的允許頻偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin); |
| 頻率調(diào)節(jié)范圍 | 通過調(diào)節(jié)晶振的某可變?cè)淖冚敵鲱l率的范圍. |
| 調(diào)頻(壓控)特性 |
包括調(diào)頻頻偏、調(diào)頻靈敏度、調(diào)頻線性度。 ①調(diào)頻頻偏:壓控晶體振蕩器控制電壓由標(biāo)稱的最大值變化到最小值時(shí)輸出頻率差. ②調(diào)頻靈敏度:壓控晶體振蕩器變化單位外加控制電壓所引起的輸出頻率的變化量. ③調(diào)頻線性度:是一種與理想直線(最小二乘法)相比較的調(diào)制系統(tǒng)傳輸特性的量度. |
| 負(fù)載特性 | 其他條件保持不變,負(fù)載在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱負(fù)載下的輸出頻率的最大允許頻偏. |
| 電壓特性 | 其他條件保持不變,電源電壓在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱電源電壓下的輸出頻率的最大允許頻偏. |
| 雜波 | 輸出信號(hào)中與主頻無諧波(副諧波除外)關(guān)系的離散頻譜分量與主頻的功率比,用dBc表示. |
| 諧波 | 諧波分量功率Pi與載波功率P0之比,用dBc表示. |
| 頻率老化 | 在規(guī)定的環(huán)境條件下,由于元件(主要是石英諧振器)老化而引起的輸出頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)漂移過程.通常用某一時(shí)間間隔內(nèi)的頻差來量度.對(duì)于高穩(wěn)定晶振,由于輸出頻率在較長的工作時(shí)間內(nèi)呈近似線性的單方向漂移,往往用老化率(單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)頻率變化)來量度. |
| 日波動(dòng) | 指振蕩器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后,每隔一小時(shí)測量一次,連續(xù)測量24小時(shí),將測試數(shù)據(jù)按S=(fmax-fmin)/f0式計(jì)算,得到日波動(dòng). |
| 開機(jī)特性 | 在規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間內(nèi),振蕩器頻率值的最大變化,用V=(fmax-fmin)/f0表示 |
| 相位噪聲 | 短期穩(wěn)定度的頻域量度.用單邊帶噪聲與載波噪聲之比£(f)表示,£(f)與噪聲起伏的頻譜密度Sφ(f)和頻率起伏的頻譜密度Sy(f)直接相關(guān),由下式表示:f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£(f)f—傅立葉頻率或偏離載波頻率;f0—載波頻率. |
這種頻率取決于晶體本身如何切割及其受到張力的大小.有兩個(gè)寄存器與每個(gè)石英晶體相關(guān)聯(lián),一個(gè)計(jì)數(shù)器(counter)和一個(gè)保持寄存器(holdingregister).石英晶體的每次振蕩使計(jì)數(shù)器減1,當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí),產(chǎn)生一個(gè)中斷,計(jì)數(shù)器從保持寄存器中重新裝入初始值.這種方法使得對(duì)一個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行編程.令其每秒產(chǎn)生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷)成為可能.每次中斷稱為一個(gè)時(shí)鐘嘀嗒.不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘點(diǎn)都是以石英晶體振蕩器為核心電路,其頻率精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度.石英鐘點(diǎn)走時(shí)準(zhǔn),耗電省,經(jīng)久耐用為最大優(yōu)點(diǎn).在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中,石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn),同時(shí)也得到了更快的發(fā)展.許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò),無數(shù)數(shù)據(jù)傳輸,高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)?
總結(jié):1、小型化、薄片化和片式化:為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求,石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變.例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍.采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm,目 前 5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市.
2、高精度與高穩(wěn)定度,無補(bǔ)償式晶體振蕩器總精度也能達(dá)到±25ppm,VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達(dá)±20～100ppm,而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm,VCXO控制在±25ppm以下.3、低噪聲,高頻化,在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的,相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個(gè)重要參數(shù).OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善.除VCXO外,其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz.例如用于GSM等移動(dòng)電話的UCV4系列壓控振蕩器,其頻率為650～1700MHz,電源電壓2.2～3.3V,工作電流8～10mA.
4、低功耗,快速啟動(dòng),低電壓工作,低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢.電源電壓一般為3.3V.許多TCXO和VCXO產(chǎn)品,電流損耗不超過2mA.石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展.例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO,在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下,頻率穩(wěn)定時(shí)間小于4ms.日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMDTCXO,在振蕩啟動(dòng)4ms后則可達(dá)到額定值的90%.OAK公司的10～25MHz的OCXO產(chǎn)品,在預(yù)熱5分鐘后,則能達(dá)到±0.01ppm的穩(wěn)定度.
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