指間上的石英晶振
來源：http://m.cnhxbh.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.在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個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償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器(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補償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型. 其中,無溫度補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,就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動,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,就會發(fā)生壓電諧振,從而導(dǎo)致機械變形的振幅突然增大.
晶振廣泛應(yīng)用于計算機,通信,電視機,MP3,收音機,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,主要是因為晶振可以結(jié)合單片機內(nèi)部的電路,能夠產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率,為單片機指令的執(zhí)行提供了基礎(chǔ).當(dāng)晶振提供的時鐘頻率越高,該單片機運行速度也越快.晶振用一種能把電能和機械能相互轉(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,普通晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十.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).
計算機都有個計時電路,盡管一般使用”時鐘”這個詞來表示這些設(shè)備,但它們實際上并不是通常意義的時鐘,把它們稱為計時器(timer)可能更恰當(dāng)一點.計算機的計時器通常是一個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.有兩個寄存器與每個石英晶體相關(guān)聯(lián),一個計數(shù)器(counter)和一個保持寄存器(holdingregister).石英晶體的每次振蕩使計數(shù)器減1,當(dāng)計數(shù)器減為0時,產(chǎn)生一個中斷,計數(shù)器從保持寄存器中重新裝入初始值.這種方法使得對一個計時器進行編程.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.每次中斷稱為一個時鐘嘀嗒.
不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘點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精度.石英鐘點走時準(zhǔn),耗電省,經(jīng)久耐用為最大優(yōu)點.在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中,石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現(xiàn),同時也得到了更快的發(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,無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm,VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達±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,低電壓工作,低電平驅(qū)動和低電流消耗已成為一個趨勢.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技術(shù)也取得突破性進展.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)定時間小于4ms.日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMDTCXO,在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的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償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器(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補償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型. 其中,無溫度補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,就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動,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,就會發(fā)生壓電諧振,從而導(dǎo)致機械變形的振幅突然增大.
晶振廣泛應(yīng)用于計算機,通信,電視機,MP3,收音機,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,主要是因為晶振可以結(jié)合單片機內(nèi)部的電路,能夠產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率,為單片機指令的執(zhí)行提供了基礎(chǔ).當(dāng)晶振提供的時鐘頻率越高,該單片機運行速度也越快.晶振用一種能把電能和機械能相互轉(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,普通晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十.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)晶振的某可變元件改變輸出頻率的范圍. |
| 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間的系統(tǒng)漂移過程.通常用某一時間間隔內(nèi)的頻差來量度.對于高穩(wěn)定晶振,由于輸出頻率在較長的工作時間內(nèi)呈近似線性的單方向漂移,往往用老化率(單位時間內(nèi)的相對頻率變化)來量度. |
| 日波動 | 指振蕩器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后,每隔一小時測量一次,連續(xù)測量24小時,將測試數(shù)據(jù)按S=(fmax-fmin)/f0式計算,得到日波動. |
| 開機特性 | 在規(guī)定的預(yù)熱時間內(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.有兩個寄存器與每個石英晶體相關(guān)聯(lián),一個計數(shù)器(counter)和一個保持寄存器(holdingregister).石英晶體的每次振蕩使計數(shù)器減1,當(dāng)計數(shù)器減為0時,產(chǎn)生一個中斷,計數(shù)器從保持寄存器中重新裝入初始值.這種方法使得對一個計時器進行編程.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.每次中斷稱為一個時鐘嘀嗒.不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘點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精度.石英鐘點走時準(zhǔn),耗電省,經(jīng)久耐用為最大優(yōu)點.在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中,石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現(xiàn),同時也得到了更快的發(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,無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm,VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達±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,低電壓工作,低電平驅(qū)動和低電流消耗已成為一個趨勢.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技術(shù)也取得突破性進展.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)定時間小于4ms.日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMDTCXO,在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90%.OAK公司的10～25MHz的OCXO產(chǎn)品,在預(yù)熱5分鐘后,則能達到±0.01ppm的穩(wěn)定度.
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