常见晶体振荡器类别介绍与使用说明

常见晶体振荡器类别介绍与使用说明

作者:晶诺威科技
时间:2020年09月27日
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常见晶体振荡器类别介绍与使用说明

晶体振荡器（Oscillator），又称有源晶振或钟振，其原理是将振荡电路和晶体集成在一个封装内，加电即可输出时钟信号，频率精度较高，价格也略高。

常用晶体振荡器的技术指标：

（1） 基准频率：晶振在完全理想条件下的振荡频率。

（2） 工作电压：晶振的工作需要外部提供一定的电源电压，晶振输出的时钟信号上的噪声与电源再说紧密相关，因此在晶振器件资料上，对电源的质量有一定的要求。

（3） 输出电平：晶振与晶体相比，最为突出的一点就是只要上电，就直接输出时钟信号。时钟信号的电平也多种多样，支持的电平主要包括：TTL、CMOS、HCMOS、LVCOMS、LVPECL、LVDS等。在选型中，应根据所需时钟电平的种类选择相应的晶振。

（4） 工作温度范围：根据环境温度要求的不同，应选择对应的工作温度范围。

（5） 频率精度：对应不同的工作温度范围，可选择不同的频率精度。以±15ppm@-20~70℃为例，其含义是，在-20~70℃温度范围内，该晶振输出频率相对基准频率的偏差不会超过15ppm。该参数是晶振的重要参数，包含了由于温度变化、电源电压波动、负载变化等因素引起的频率偏差。

（6） 老化度：在恒定的外接条件下测量晶振频率，频率精度与时间之间的关系。

（7） 启动时间：从上电到晶振输出频率的偏差达到规定的频率精度所需要的时间。

（8） 时钟抖动（Jitter）：在后面内容详细介绍。

（9） 相位噪声：在后面内容详细介绍。

晶体振荡器的常用类型包括以下几类：

（1） 普通封装晶体振荡器（SPXO）

它无温度补偿功能，也无电压控制功能，其频率特性完全取决于晶体以及外部振荡电路。标准频率为1~100MHz，频率精度最高可达±10ppm。由于SPXO不包含任何频率补偿功能，因此是晶振中精度最差的一个种类，价格低廉，通常作为微处理器的时钟器件。在PCB布局时，SPXO器件应远离发热源。

（2） 压控式晶体振荡器（VCXO）

VCXO是通过外部施加控制电压时振荡频率可调的晶体振荡器。它的特点：输出频率可以通过输入电压控制，一般控制范围为±50~±200ppm。工作原理：通过改变外加调整电压的大小，能改变容性负载CL的值，从而实现频率的调整。由于VCXO的具有振荡频率可调整的特点，所以用频率—温度稳定度来定义环境温度变化对频偏的影响。由于VCXO不具备温度补偿功能，因此在PCB布局时，VCXO器件应远离发热源。VCXO除了电源电源外，还需要控制电压，以调整输出频率，当控制电压调整为中央电压时，VCXO输出标称的基准频率。VCXO常用在锁相环电路中。

（3） 温度补偿晶体振荡器（TCXO）

TCXO是利用附件的温度补偿电路以减少环境温度对振荡频率的影响，其特点是频率精度远远高于SPXO和VCXO。工作原理：利用热敏电阻的温度敏感性，当温度变化时，热敏电阻的阻值和容性负载同时发生变化，而容性负载的变化会改变振荡频率，从而实现对振荡频率的修正。

（4） 恒温晶体振荡器（OCXO）

将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。频率精度为10-10~10-8量级。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。

不同的特性决定了四种类型晶振的应用场合：如果需要设备即开即用，需选用SPXO、VCXO和TCXO。OCXO晶振需要一定的稳定时间。如果要求时钟信号较高的稳定度，推荐使用TCXO和OCXO。

附：晶振知识

1、 标称频率

标称频率指的是在正常匹配的振荡电路下，晶振中的石英晶片振动的频次，表示为MHz或KHz。例如：石英晶片在1秒内振动了一百万次，那么该频率为1MHz。

2、 调整频差

指晶振在常温（25℃）下，实际输出频率与标称频率之间允许的最大偏差。晶振在标准温度下的频率误差范围。这个误差通常用ppm（百万分之一）来表示。例如：标称频率为10MHz的晶振，如果调整频差为±10ppm，实际频率可能在9.9999MHz到10.0001MHz之间波动。调整频差越小，晶振的频率精度越高。

3、 温度频差

指晶振在工作温度范围内，实际输出频率与标称频率之间允许的最大偏差。晶振在不同温度下工作时，频率可能会因为温度变化而产生一定的波动。这个偏差通常也用ppm（百万分之一）来表示。例如：晶振的温度频差为±20ppm，规定的温度范围内，实际频率可能会比标称频率高或低最多20ppm。温度频差越小，晶振的频率稳定性越好，受温度变化的影响越小。

4、 工作温度范围

工作温度范围是晶振能正常工作的温度区间，在这个范围内晶振的频率偏差和其它性能都能保持正常。比如，晶振的工作温度范围是-40℃到+85℃，在这个区间内就能稳定运行。超出这个范围，频率稳定度将无法保障。工作温度范围越宽，晶振就越能适应不同的温度环境。

5、 储存温度范围

指晶振在不工作（没通电）时，能安全存放的温度范围，一个晶振的储存温度范围是-55℃到+125℃。但如果超出这个范围长期存储，晶振电气性能可能会变差。储存温度范围一般比工作温度范围更宽，是为了让晶振在运输或存放时更安全。

6、 负载电容

负载电容是指与晶振串联的外部电容，它会直接影响晶振的谐振频率。负载电容是由外部电容和电路中的杂散电容共同决定的。负载电容就像是晶振的“调频器”——当负载电容发生变化时，晶振的输出频率也会随之改变。

常见的负载电容值有：6pF、8pF、9pF、10pF、12pF、12.5pF、15pF、18pF、20pF等。不同的负载电容值适用于不同的电路设计需求。

负载电容的计算公式为：CL = (Cg × Cd) / (Cg + Cd) + Cs。

· Cg 和 Cd 是晶振两个引脚上连接的外部电容值。

· Cs 是电路中的杂散电容，通常为3pF～5pF。

7、 静态电容

指晶振内部石英芯片与两个电极之间形成的电容，还有一小部分电容来自石英芯片与连接线之间的导电材料，以及晶振封装外壳的电容。

8、 切割方式

不同应用场景和工作温度的需求，石英晶体会按照特定的角度进行切割，形成不同的切割方式。切割类型包括：AT切、BT切、CT切、SC切、DT切、NT切、GT切等。每种切割方式的角度不同，会影响晶体的弹性常数、压电常数和介电常数，进而影响其频率特性和温度稳定性。切割角度决定了晶振的振动模式和温频特性。石英晶体有结晶轴，切割时沿垂直于结晶轴的特定角度进行。

9、 振动模式

不同的石英切割角度及不同电极形状的电场效应，石英芯片展现了各种不同的振动模式，以经常产生的振动模式可以分为弯曲模式，伸缩模式，面切变模式和厚度切变振动模式。

10、 等效电阻

等效电阻（ESR，Rr，R1），又称谐振电阻。在规定条件下，石英晶体谐振器不串联负载电容在谐振频率时的电阻。

11、 激励功率/驱动电平

晶体工作时所消耗功率的表征值，AT切晶体激励电平的增大，其频率变化是正的。激励电平过高会引起非线性效应，导致可能出现寄生振荡，严重热频漂，过应力频漂及电阻突变。当激励电平过低时则会造成起振困难及/或输出频率不稳定等不良现象。

12、 激励电平相关性

又称激励电平依赖性，为晶体元件谐振电阻随激励电平条件变化的效应。当加在晶体元件上的激励电平改变时，其谐振电阻也随之变化，该变化在一般情况下有一定规律，可用两个激励电平所对应的两个电阻之比表示，其表达式为：DLD＝Rr1/Rr2（Rr1－为较低激励电平时的电阻，Rr2－为较高激励电平时的电阻）。

13、 绝缘电阻

指晶振的各个引脚之间，或者引脚与外壳之间的电阻值。简单来说，它反映了晶振内部绝缘性能的好坏。绝缘电阻越大，说明晶振的绝缘性能越好，漏电流越小，能够有效防止信号干扰和电气短路。

14、 基频

晶振在最低阶振动模式下产生的频率，也就是它的“主振动频率”。基频是晶振最基础、最主要的振动频率，其他振动模式（如泛音）都是基于基频的倍数或衍生。基频决定了晶振的核心工作频率。

15、 泛音

泛音是晶振机械振动中产生的高阶谐波频率。接近基频整数倍（如3倍、5倍、7倍、9倍）等，但并不完全相等。例如：3次泛音的频率接近基频的3倍，但会略低一些。泛音的存在使得晶振能够在更高的频率下工作。

16、 等效电路

石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动，可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。

17、 负性阻抗

负性阻抗是指从石英晶振的两个引脚向振荡电路看过去时，电路在振荡频率下的阻抗特性。它不是晶振本身的参数，而是振荡电路的重要特性。为了提高电路的起振能力，需要增大电路中的负性阻抗。如果负性阻抗不足，电路可能难以起振。通常，负性阻抗的值应达到晶振谐振阻抗的5~10倍，以确保电路稳定工作。

18、 年老化率

以年为衡量单位，在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。频率变化最大是在晶体频率组件生产完后的第一个月，之后频率随时间的变化就会减少。导致此老化的原因很多，如：密封特性和完整性、制造工艺、材料类型、工作温度和频率。

 

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