晶體振蕩器basic課件

晶體振蕩器BasicColinLiu時鐘與振蕩器 時鐘是電路中脈搏。時鐘電路的作用是向電路各部分提供基準頻率。它就像個標尺。時鐘頻率不穩(wěn)定會造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，出現(xiàn)各種問題。 時鐘電路的核心是一個振蕩器，必要時還包括鎖相環(huán)PLL。振蕩器是一個由放大器和諧振回路組成的正反饋電路。時鐘源分類 根據(jù)諧振回路的不同，時鐘源可以分為兩類：基于機械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；MEMS振蕩器屬于機械式。基于相移電路的時鐘源，如：RC(電阻、電容)，LC(電感、電容)振蕩器。機械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別

RC、LC振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內精度較差，會在標稱輸出頻率的5%至50%范圍內變化。

機械式諧振器目前的市場霸主是晶體振蕩器，其特點是精度很高。以目前的工藝，常見的有50ppm,20pmm,10ppm,2ppm,1ppm,0.5ppm(ppm--百萬分之x)。晶振的特性 晶振是石英振蕩器的簡稱。石英晶體Crystal是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。 石英晶體有一個很重要的特點，其振蕩頻率與形狀、材料、切割方向等密切相關。由于石英晶體化學性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)非常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準確。石英諧振原理--壓電效應 石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于其壓電效應。從物理學中知道，若在晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機械變形；反之，若在極板間施加機械力，又會在相應的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。是機-電-機-電....的不斷轉換 如在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機械變形振動，同時機械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。這種機械振動的振幅很小，其振動頻率很穩(wěn)定。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時，機械振動的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。其特點是頻率穩(wěn)定度很高。

石英晶體的等效電路影響振蕩器工作的環(huán)境因素 影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾(EMI)、機械震動與沖擊、溫度和濕度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會造成振蕩器停振。 所以，晶振的封裝很講究，金屬、陶瓷外殼起屏蔽和機械穩(wěn)定作用。無源晶振和有源晶振市場上晶體振蕩器分為無源有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振實際上是一顆石英晶體，需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來，所以“無源晶振”這個說法并不準確；有源晶振--振蕩器模塊，才是一個完整的振蕩器。 振蕩器的性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響較大。需認真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。相比之下，有源晶振（鐘振）更加穩(wěn)定，工程應用更加方便。有源晶振石英晶體振蕩器的主要參數(shù)晶振的主要參數(shù)有標稱頻率、頻率精度、頻率穩(wěn)定度、相位抖動Jitter/相位噪聲、負載電容、工作電壓、工作電流等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩(wěn)定度從±0.1到±100ppm不等。相位抖動Jitter/相位噪聲Noise，如10ps/-80dBc@offsetfreq工作電壓：5V，3.3V,3.0V,2.5V,1.8V如何選擇晶振晶振的參數(shù)決定了晶振的品質和性能。不同性能的晶振，價格也不同，要求越高，價格也越貴。在實際應用中要根據(jù)具體要求選擇適當?shù)木д?。通信網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。各種晶振的精度范圍普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。溫度補償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±0.5～±2.5ppm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。

晶振的缺點受石英晶體自身的特性限制，比較脆弱，抗震性能差；由于切割尺寸難以繼續(xù)縮小，頻率難以繼續(xù)提高；受封裝限制，體積