只管采取LC或RC谐振器实现的大略振荡器可知足一些运用的哀求,但是添加石英晶体将可大幅地将器件的频率稳定性提高好几个数量级,且常日所需的本钱很小。
1.输出频率
任何振荡器最基本的属性都是它天生的频率。根据定义,振荡器是接管输入电压(常日为直流电压)并在某一频率下产生重复互换输出的器件。所需的频率由系统类型和如何利用该振荡器所决定。
一些运用须要kHz范围内的低频晶体。一个常见的例子是32.768 kHz手(钟)表晶体。 但是大多数当前的运用须要更高频率的晶体,范围从小于10MHz到大于100MHz。

2.频率稳定性和温度范围
所需的频率稳定性由系统哀求确定。振荡器的稳定性可大略地表述为:由于某些缘故原由引起的频率变革除以中央频率。
即:稳定性=频率变革÷中央频率
例如,如果振荡器输出频率为10MHz,并且随温度变革了10Hz,则其温度稳定性为:10 / 10,000,000 = 1x10-6 = 1ppm。 晶振的范例稳定性可以在100ppm至0.001ppm之间。 频率稳定性常日由运用哀求决定,并进而确定将须要的晶振类型。振荡器必须事情的温度范围是确定可以达到的稳定性的紧张成分。
晶振类型
大略晶振(XO):这是最基本的类型,其稳定性完备由晶体谐振器本身的固有特性决定。 MHz范围内的较高频率晶体由石英棒制成,其制造工艺应知足:纵然环境温度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之间变革,也可供应相对稳定的频率。纵然在这么宽的温度范围内,适当切割的石英晶体也可实现±25ppm的稳定性。与诸如随温度变革可达1%(10,000ppm)或更高的LC振荡电路等其它无源谐振器比较,晶体振荡器的性能有了根本提升。但对付某些运用来说,纵然25ppm也不足好,因此必须采取额外方法。
温度补偿晶振(TCXO):如果固有频率与石英晶体的温度稳定性不能知足运用哀求,可以采取温度补偿单元。 TCXO利用温度感测器件以及产生电压曲线的电路,在全体温度范围内,该电压曲线与晶体的频率变革趋势完备相反,以是可空想地抵消晶体的漂移。 根据TCXO的类型和温度范围,TCXO的范例稳定性规范范围为小于±0.5ppm至±5ppm。
恒温掌握晶振(OCXO):对付某些运用,TCXO的频率-温度稳定性指标仍无法知足哀求。在这些情形下,可能须要OCXO。顾名思义,具有烤腔的振荡器将晶体加热到更高温度,该被控温度使得纵然环境温度可能变革很大,晶体的温度也保持稳定。由于晶体的温度和振荡器的敏感部分的变革很小,频率-环境温度稳定性得到显著改进。在环境温度范围内,OCXO的稳定性可以达到0.001ppm。然而,这种稳定性的提升因此增加功耗为代价的,将热量供应给烤腔当然须要能量。范例的OCXO可能须要1到5W的功率来坚持内部温度。在开机后,还须要等待温度和频率稳定下来的暖机韶光,取决于晶振类型,暖机时长常日从1分钟到10多分钟。
压控晶振(VCXO):在一些运用中,期望能够调谐或调度振荡器的频率,以便将其锁相到锁相环中的参考、或还可能是对波形进行调制。VCXO通过电子频率掌握(EFC)电压输入供应此功能。对付某些专用器件,VCXO的调谐范围规范可能在±10ppm到±100ppm(乃至更高)。
TCVCXO和VCOCXO:TCXO或OCXO常日包括EFC输入电压。这就许可进行调度,以便将输出频率精确地校准为标称值。
图1:通用振荡器框图。
Generic XO Block Diagram: 通用大略晶振框图
Oscillator circuit: 振荡器电路
Output: 输出
Generic TCXO Block diagram: 通用温度补偿晶振框图
Temperature dependent compensation voltage generator: 依赖电压发生器的温度补偿
Varactor diode: 变容二极管
Generic OCXO Block diagram: 通用恒温掌握晶振框图
Oven cavity: 烤腔
Temp sensor: 温度传感器
Oscillator: 振荡器
RF OUTPUT: RF输出
Output amp: 输出放大器
Setpoint: 设置点
Proportional controller: 比例掌握器
Heater: 加热器
图2:不同晶振的频率-温度稳定性。
Temp: 温度 Stability: 稳定性
3.输入电压和功率任何类型的晶振常日都可以被设计为利用系统中已有的DC输入电源电压来操作。 在数字系统中,常日希望利用与振荡器将驱动的系统中的逻辑器件所利用的电压相匹配的电压来驱动晶振,以便逻辑电平是直接兼容的。+3.3V或+5V是这些数字单元的范例输入。具有较高功率输出的其它器件可以利用较高电压,例如+12V或+15V。另一个考虑成分是为器件供电所需的电流量。XO或TCXO可能只须要几mA,因此在低电压系统中,其功耗可以小于0.01W。另一方面,在上电时,一些OCXO可以须要5W或6W。
4.输出波形
然后要选择输出波形以匹配振荡器将在系统中驱动的负载。最常见的输出之一是CMOS——以驱动逻辑电平输入。CMOS输出将是在地电位和系统的Vdd轨之间摆动的方波。对付高于约100MHz的较高频率,常日利用差分方波。这些振荡用具有两个180°异相的输出、具有快速上升和低落韶光以及非常小的抖动。最通用的类型是LVPECL和LVDS。如果振荡器用于驱动RF组件、如混频器或其它具有50Ω输入阻抗的器件,则常日会指定某个功率级别的正弦波输出。产生的输出功率常日在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之间,只管如果须要可以输出更高功率。
5.封装尺寸和形状
基于振荡器类型和规格,对晶振封装的哀求将大相径庭。大略的时钟振荡器和一些TCXO可以装在小到1.2×2.5mm2的封装中;而一些OCXO可以大到50×50mm2,对某些特定设计,乃至可更大。虽然一些通孔封装如双列直插式4或14引脚类型仍旧用于较大的部件(如OCXO或专用TCXO),但大多数当前设计利用表贴封装。这些表贴配置可以是密封的陶瓷封装,或基于FR-4的、具有用于I/O的建构的组件。
如上所述,当选定晶振时,有许多不同的选择要考虑。然而,通过检讨利用晶振的系统,最方便的选择将变得显而易见;例如可用于为晶振供电的输入电压以及振荡器的输出将驱动的器件的类型等成分。还必须考虑运用的其它约束条件,例如物理尺寸和操作环境。除了这些基本参数之外,针对特定运用,还有许多其它规范要予以考量。但当将这些成分通盘考虑后,很可能会找到一款知足系统哀求的晶振。
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