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晶振选用的几点说明与建议

发表时间:2021/1/21 17:08:06  来源:电子工程专辑  浏览次数:2910  
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通过设计,大多数电子系统都需要某种类型的振荡器作为关键构件。一些典型的用途包括:数字系统中用于同步操作的时钟;用于接收器或发射器的稳定RF信号;精确的频率参考以进行精确的测量;或实时时钟以获取准确的时间。振荡器的系统规格和所需功能将决定大多数晶体振荡器参数。

任何振荡器的关键组件都是谐振器,它可以控制频率并确定可以达到的稳定性水平。

尽管用LC或RC谐振器实现的简单振荡器可以满足某些应用的要求,但增加石英晶体将大大提高器件的频率稳定性几个数量级,通常需要成本低。

1、频率稳定性和温度范围

所需的频率稳定性取决于系统要求。振荡器的稳定性可以简单表示为:由某种原因引起的频率变化除以中心频率。

换句话说:稳定性=频率变化÷中心频率

例如,如果振荡器的输出频率为10MHz,并且温度变化10 Hz,则其温度稳定性为:10/10,000,000=1x10-6=1ppm。晶体振荡器的典型稳定性可以在100 ppm至0.001 ppm之间。频率稳定性通常取决于应用程序的要求,而应用程序的要求又决定了所需的晶体振荡器的类型。振荡器应工作的温度范围是确定可达到的稳定性的主要因素。

2、输出频率

任何振荡器的最基本特性是它产生的频率。根据定义,振荡器是一种接受输入电压(通常为DC电压)并以一定频率产生重复AC输出的设备。所需的频率取决于系统的类型以及振荡器的使用方式。

某些应用需要kHz范围内的低频晶体。一个常见的例子是32.768 kHz手持(手表)晶体。但是,当今的大多数应用都需要更高频率的晶体,频率范围从小于10 MHz到大于100 MHz。


晶振类型

简单晶体振荡器(XO)-这是最基本的类型,其稳定性完全取决于晶体谐振器本身的固有特性。 MHz范围内最高频率的晶体由石英棒制成,并且其制造过程必须符合:即使环境温度在-55C至+ 125C(-67F至+ 257)之间变化F),则可以提供稳定的频率。即使在如此宽的温度范围内,正确切割的石英晶体也可以实现25 ppm的稳定性。与其他无源谐振器(例如随温度变化高达1(10,000 ppm)或更高的LC振荡器电路)相比,晶体振荡器的性能得到了根本改善。但是对于某些应用,即使25 ppm也是不够的,因此必须采取其他措施。

温度补偿晶体振荡器(TCXO):如果石英晶体的固有频率和温度稳定性不能满足应用要求,则可以使用温度补偿单元。 TCXO使用温度感测设备和生成电压曲线的电路。在整个温度范围内,电压曲线与晶体的频移趋势完全相反,因此可以理想地补偿晶体漂移。根据TCXO的类型和温度范围,TCXO的典型稳定性规格范围小于0.5ppm至5ppm。

可控恒温晶体振荡器既高稳晶振(OCXO):对于某些应用,TCXO的频率-温度稳定性指标仍不能满足要求。在这些情况下,可能需要OCXO。顾名思义,带有烘烤腔的振荡器将玻璃加热到更高的温度,即使环境温度变化很大,受控的温度也会使玻璃温度保持稳定。由于晶体和振荡器敏感部分的温度变化很小,因此频率和环境温度之间的稳定性得到了显着改善。在环境温度范围内,OCXO的稳定性可以达到0.001ppm。但是,这种稳定性的提高是以较高的能量消耗为代价的,当然,需要能量来为烤箱提供热量。典型的OCXO可能需要1至5 W的功率来维持内部温度。启动后,您仍然需要等待预热时间以使温度和频率稳定下来。根据晶体振荡器的类型,预热时间通常为1分钟到10分钟以上,高稳晶振和低相噪晶振均可用OCXO来实现。

压控晶体振荡器(VCXO)-在某些应用中,希望能够调谐或调整振荡器的频率,以将其同相锁定到锁相环中的参考电压,或者调制波形。 VCXO通过电子频率控制(EFC)电压输入提供此功能。对于某些专用设备,VCXO调整范围规格可以为10 ppm至100 ppm(甚至更高)。

TCVCXO和VCOCXO:TCXO或OCXO通常包括EFC输入电压。这样可以进行调整,以将输出频率准确地校准到标称值。

5、输出波形

接下来,选择输出波形以匹配振荡器将在系统上驱动的负载。 CMOS——是最常见的输出之一,用于控制逻辑电平输入。 CMOS输出将是在地电位和系统的Vdd轨之间振荡的方波。对于高于约100 MHz的较高频率,通常使用差分方波。这些振荡器具有两个相位差为180的输出,具有快速的上升和下降时间,并且抖动很小。最常见的类型是LVPECL和LVDS。如果使用振荡器来驱动RF组件(例如混频器或其他具有50输入阻抗的设备),则通常会在特定功率水平上指定正弦波输出。产生的输出功率通常在0dBm至+ 13dBm(1mW至20mW)之间,但是如果需要的话,可以产生更高的功率。

4、输入电压和功率

通常,可以将任何类型的晶体振荡器设计为以系统中已经存在的DC输入电源电压工作。在数字系统中,通常期望用与将驱动振荡器的系统中的逻辑器件使用的电压匹配的电压来控制晶体振荡器,以使逻辑电平直接兼容。这些数字单元的典型输入为+3.3V或+ 5V。具有更高功率输出的其他设备可以使用更高的电压,例如+ 12V或+ 15V。另一个考虑因素是为设备流量供电所需的电力。 XO或TCXO可能仅需要几个mA,因此在低压系统中,它们的功耗可能小于0.01W。另一方面,在加电时,某些OCXO可能需要5W或6W。

5、封装尺寸和外形

根据振荡器的类型和规格,对晶体封装的要求会有很大的不同。简单的时钟振荡器和某些TCXO可以小至1.2*2.5mm的封装尺寸;而某些OCXO可能高达20*12mm,对于某些特定设计甚至更大。尽管某些通孔封装(例如双列直插式4或14引脚类型)仍用于较大的组件(例如专用OCXO或TCXO),但大多数当前设计都使用表面贴装封装。这些表面安装配置可以是具有I/O结构的密封陶瓷封装或基于FR-4的组件。

如上所述,在选择晶体振荡器时,要考虑许多不同的选择。但是,在检查使用晶体振荡器的系统时,最方便的选择将显而易见。诸如可用于为晶体供电的输入电压以及将驱动振荡器输出的器件类型之类的因素。还必须考虑其他应用程序限制,例如物理大小和操作环境。除了这些基本参数外,还必须考虑许多其他特定应用规范。但是,综合考虑这些因素后,您很可能会找到满足您系统要求的晶体。

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