石英晶体振荡器应用知识

概述
　　石英晶体振荡器有两个端子，属线性元件，无源被动元件。石英谐振器本身没有引起振荡的能力，必须借助外力才能使其振荡，它工作在线性范围内。石英振荡器的Q值非常高，低的有几万，高的有几百万。石英晶体的频率稳定性非常好，在剧烈变化的环境下仍能稳定工作。
　　石英晶体谐振器的晶体，一般都用人造晶体，因为天然的晶体含有杂质和缺陷。石英晶体的封闭方法有四种，一是金属外壳，用金属底座和盖子，晶体放
入后冷压而成，内部充以惰性气体或抽成真空。二是电阻熔接型，这种方法主要用小型外壳，在便携电话机和无线机中。三是焊接封闭型，这种方法制作比较容易，
可获得宽频率、稳定性好的谐振器。四是直接压入，在手表中用的较多。

       晶体振荡器被广泛应用到军、民用通信电台，微波通信设备，程控电话交换机，无线电综合测试仪，BP机、移动电话发射台，高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。它有多种封装，特点是电气性能规范多种多样。它有好几种不同的类型：电压控制晶体振荡器(VCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、恒温晶体振荡器(OCXO)，以及数字补偿晶体振荡器(MCXO或DTCXO),每种类型都有自己的独特性能。如果需要使设备即开即用，您就必须选用VCXO或温补晶振，如果要求稳定度在0.5ppm以上，则需选择数字温补晶振(MCXO)。模拟温补晶振适用于稳定度要求在5ppm～0.5ppm之间的需求。VCXO只适合于稳定度要求在5ppm以下的产品。在不需要即开即用的环境下，如果需要信号稳定度超过0.1ppm的，可选用OCXO。 频率稳定性的考虑：晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性，它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽，器件的价格亦愈高。工业级标准规定的-40～+75℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯，倘若-30～+70℃已经够用，那么就不必去追求更宽的温度范围。设计工程师要慎密决定特定应用的实际需要，然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。

     晶体老化是造成频率变化的又一重要因素。根据目标产品的预期寿命不同，有多种方法可以减弱这种影响。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化，也就是说在产品使用的第一年，这种现象才最为显著。例如，使用10年以上的晶体，其老化速度大约是第一年的3倍。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况，也可以采用调节的办法解决，比如，可以在控制引脚上施加电压(即增加电压控制功能)等。
　　
      与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动，这些指标应该规定出来。对于工业产品，有时还需要提出振动、冲击方面的指标，军用品和宇航设备的要求往往更多，比如压力变化时的容差、受辐射时的容差，等等。

　　输出：必须考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压特性、负载特性、功耗、封装形式，对于工业产品，有时还要考虑冲击和振动、以及电磁干扰(EMI)。晶体振荡器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。许多DSP和通信芯片组往往需要严格的对称性(45%至55%)和快速的上升和下降时间(小于5ns)。

　　相位噪声和抖动：在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中心频率的1Hz之内和通常测量到1MHz。石英晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。

　　抖动与相位噪声相关，但是它在时域下测量。以微微秒表示的抖动可用有效值或峰—峰值测出。许多应用，例如通信网络、无线数据传输、ATM和SONET要求必须满足严格的拌动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。

　　电源和负载的影响：振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡器的性能。不能期望只能额定驱动15pF的振荡器在驱动50pF时会有好的表现。在超过建议的电源电压下工作的振荡器亦会呈现较差的波形和稳定性。 对于需要电池供电的器件，一定要考虑功耗。引入3.3V的产品必然要开发在3.3V下工作的振荡器。较低的电压允许产品在低功率下运行。大部分市售的表面贴装振荡器在3.3V下工作。许多采用传统5V器件的穿孔式振荡器正在重新设计，以便3.3V下工作。

　　封装：与其它电子元件相似，时钟振荡器亦采用愈来愈小型的封装。根据客户的需要制作各种类型、不同尺寸的晶体振荡器(具体资料请参看产品手册)。通常，较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。所以，小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。

　　工作环境：晶体振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如，高强度的振动或冲击会给振荡器带来问题。除了可能产生物理损坏，振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。这些外部感应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。
     对于要求特殊EMI兼容的应用，EMI是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的PC母板布局技术，重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说，具有较慢上升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI特性。

　　检测：对于晶振的检测,通常仅能用示波器(需要通过电路板给予加电)或频率计实现。万用表或其它测试仪等是无法测量的。如果没有条件或没有办法判断其好坏时,那只能采用代换法了,这也是行之有效的。

　　晶振常见的故障有：(a)内部漏电;(b)内部开路;(c)变质频偏;(d)与其相连的外围电容漏电。从这些故障看,使用万用表的高阻档和测试仪的VI曲线功能应能检查出(C),(D)项的故障，但这将取决于它的损坏程度。

　　总结：器件选型时一般都要留出一些余量，以保证产品的可靠性。选用较高档的器件可以进一步降低失效概率，带来潜在的效益，这一点在比较产品价格的时候也要考虑到。要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理，这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素，这里的成本不仅仅包含器件的价格，而且包含产品全寿命的使用成本。