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    晶振選用的幾點說明與建議

    發表時間:2021/1/21 17:08:06  來源:電子工程專輯  瀏覽次數:2997  
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    通過設計,大多數電子系統都需要某種類型的振蕩器作為關鍵構件。一些典型的用途包括:數字系統中用于同步操作的時鐘;用于接收器或發射器的穩定RF信號;精確的頻率參考以進行精確的測量;或實時時鐘以獲取準確的時間。振蕩器的系統規格和所需功能將決定大多數晶體振蕩器參數。

    任何振蕩器的關鍵組件都是諧振器,它可以控制頻率并確定可以達到的穩定性水平。

    盡管用LC或RC諧振器實現的簡單振蕩器可以滿足某些應用的要求,但增加石英晶體將大大提高器件的頻率穩定性幾個數量級,通常需要成本低。

    1、頻率穩定性和溫度范圍

    所需的頻率穩定性取決于系統要求。振蕩器的穩定性可以簡單表示為:由某種原因引起的頻率變化除以中心頻率。

    換句話說:穩定性=頻率變化÷中心頻率

    例如,如果振蕩器的輸出頻率為10MHz,并且溫度變化10 Hz,則其溫度穩定性為:10/10,000,000=1x10-6=1ppm。晶體振蕩器的典型穩定性可以在100 ppm至0.001 ppm之間。頻率穩定性通常取決于應用程序的要求,而應用程序的要求又決定了所需的晶體振蕩器的類型。振蕩器應工作的溫度范圍是確定可達到的穩定性的主要因素。

    2、輸出頻率

    任何振蕩器的最基本特性是它產生的頻率。根據定義,振蕩器是一種接受輸入電壓(通常為DC電壓)并以一定頻率產生重復AC輸出的設備。所需的頻率取決于系統的類型以及振蕩器的使用方式。

    某些應用需要kHz范圍內的低頻晶體。一個常見的例子是32.768 kHz手持(手表)晶體。但是,當今的大多數應用都需要更高頻率的晶體,頻率范圍從小于10 MHz到大于100 MHz。


    晶振類型

    簡單晶體振蕩器(XO)-這是最基本的類型,其穩定性完全取決于晶體諧振器本身的固有特性。 MHz范圍內最高頻率的晶體由石英棒制成,并且其制造過程必須符合:即使環境溫度在-55C至+ 125C(-67F至+ 257)之間變化F),則可以提供穩定的頻率。即使在如此寬的溫度范圍內,正確切割的石英晶體也可以實現25 ppm的穩定性。與其他無源諧振器(例如隨溫度變化高達1(10,000 ppm)或更高的LC振蕩器電路)相比,晶體振蕩器的性能得到了根本改善。但是對于某些應用,即使25 ppm也是不夠的,因此必須采取其他措施。

    溫度補償晶體振蕩器(TCXO):如果石英晶體的固有頻率和溫度穩定性不能滿足應用要求,則可以使用溫度補償單元。 TCXO使用溫度感測設備和生成電壓曲線的電路。在整個溫度范圍內,電壓曲線與晶體的頻移趨勢完全相反,因此可以理想地補償晶體漂移。根據TCXO的類型和溫度范圍,TCXO的典型穩定性規格范圍小于0.5ppm至5ppm。

    可控恒溫晶體振蕩器既高穩晶振(OCXO):對于某些應用,TCXO的頻率-溫度穩定性指標仍不能滿足要求。在這些情況下,可能需要OCXO。顧名思義,帶有烘烤腔的振蕩器將玻璃加熱到更高的溫度,即使環境溫度變化很大,受控的溫度也會使玻璃溫度保持穩定。由于晶體和振蕩器敏感部分的溫度變化很小,因此頻率和環境溫度之間的穩定性得到了顯著改善。在環境溫度范圍內,OCXO的穩定性可以達到0.001ppm。但是,這種穩定性的提高是以較高的能量消耗為代價的,當然,需要能量來為烤箱提供熱量。典型的OCXO可能需要1至5 W的功率來維持內部溫度。啟動后,您仍然需要等待預熱時間以使溫度和頻率穩定下來。根據晶體振蕩器的類型,預熱時間通常為1分鐘到10分鐘以上,高穩晶振和低相噪晶振均可用OCXO來實現。

    壓控晶體振蕩器(VCXO)-在某些應用中,希望能夠調諧或調整振蕩器的頻率,以將其同相鎖定到鎖相環中的參考電壓,或者調制波形。 VCXO通過電子頻率控制(EFC)電壓輸入提供此功能。對于某些專用設備,VCXO調整范圍規格可以為10 ppm至100 ppm(甚至更高)。

    TCVCXO和VCOCXO:TCXO或OCXO通常包括EFC輸入電壓。這樣可以進行調整,以將輸出頻率準確地校準到標稱值。

    5、輸出波形

    接下來,選擇輸出波形以匹配振蕩器將在系統上驅動的負載。 CMOS——是最常見的輸出之一,用于控制邏輯電平輸入。 CMOS輸出將是在地電位和系統的Vdd軌之間振蕩的方波。對于高于約100 MHz的較高頻率,通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個相位差為180的輸出,具有快速的上升和下降時間,并且抖動很小。最常見的類型是LVPECL和LVDS。如果使用振蕩器來驅動RF組件(例如混頻器或其他具有50輸入阻抗的設備),則通常會在特定功率水平上指定正弦波輸出。產生的輸出功率通常在0dBm至+ 13dBm(1mW至20mW)之間,但是如果需要的話,可以產生更高的功率。

    4、輸入電壓和功率

    通常,可以將任何類型的晶體振蕩器設計為以系統中已經存在的DC輸入電源電壓工作。在數字系統中,通常期望用與將驅動振蕩器的系統中的邏輯器件使用的電壓匹配的電壓來控制晶體振蕩器,以使邏輯電平直接兼容。這些數字單元的典型輸入為+3.3V或+ 5V。具有更高功率輸出的其他設備可以使用更高的電壓,例如+ 12V或+ 15V。另一個考慮因素是為設備流量供電所需的電力。 XO或TCXO可能僅需要幾個mA,因此在低壓系統中,它們的功耗可能小于0.01W。另一方面,在加電時,某些OCXO可能需要5W或6W。

    5、封裝尺寸和外形

    根據振蕩器的類型和規格,對晶體封裝的要求會有很大的不同。簡單的時鐘振蕩器和某些TCXO可以小至1.2*2.5mm的封裝尺寸;而某些OCXO可能高達20*12mm,對于某些特定設計甚至更大。盡管某些通孔封裝(例如雙列直插式4或14引腳類型)仍用于較大的組件(例如專用OCXO或TCXO),但大多數當前設計都使用表面貼裝封裝。這些表面安裝配置可以是具有I/O結構的密封陶瓷封裝或基于FR-4的組件。

    如上所述,在選擇晶體振蕩器時,要考慮許多不同的選擇。但是,在檢查使用晶體振蕩器的系統時,最方便的選擇將顯而易見。諸如可用于為晶體供電的輸入電壓以及將驅動振蕩器輸出的器件類型之類的因素。還必須考慮其他應用程序限制,例如物理大小和操作環境。除了這些基本參數外,還必須考慮許多其他特定應用規范。但是,綜合考慮這些因素后,您很可能會找到滿足您系統要求的晶體。

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