《晶体振荡器basic》PPT课件.ppt

晶体振荡器 Basic Colin Liu 时钟与振荡器 时钟是电路中脉搏。时钟电路的作用是向电路 各部分提供基准频率。它就像个标尺。时钟频 率不稳定会造成系统工作不稳定，出现各种问 题。 时钟电路的核心是一个振荡器，必要时还包括 锁相环PLL。振荡器是一个由放大器和谐振回 路组成的正反馈电路。 时钟源分类 根据谐振回路的不同，时钟源可以分为两类 ： u基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷 谐振槽路；MEMS振荡器属于机械式。 u基于相移电路的时钟源，如：RC (电阻、电 容)，LC (电感、电容)振荡器。 最简单的时钟电路 图1给出了两种分立的振荡器电路，其中图a为皮尔斯振荡器配置，用于 机械式谐振器件，如晶振和陶瓷谐振槽路。图b为简单的RC反馈振荡器 机械式谐振器与RC振荡器的主要区别 uRC、LC振荡器能够快速启动，成本也比较低 ，但通常在整个温度和工作电源电压范围内 精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范 围内变化。 u机械式谐振器目前的市场霸主是晶体振荡器 ，其特点是精度很高。以目前的工艺，常见 的有50ppm, 20pmm, 10ppm, 2ppm, 1ppm, 0.5ppm (ppm-百万分之x)。 晶振的特性 晶振是石英振荡器的简称。石英晶体Crystal是一 种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密 切割磨削并镀上电极焊上引线做成。 石英晶体有一个很重要的特点，其振荡频率与形 状、材料、切割方向等密切相关。由于石英晶体 化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡 频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很 精密，因此，其谐振频率也很准确。 石英谐振原理-压电效应 石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于其压电效 应。从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电 场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加 机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称 为压电效应。是机-电-机-电的不断转换 如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振 动，同时机械变形振动又会产生交变电场。这种机械 振动的振幅很小，其振动频率很稳定。当外加交变电 压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相 等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压 电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。 其特 点是频率稳定度很高。 石英晶体的等效电路 u石英晶体在电气上它可以等效成一个电感、电阻、电容串联再 并联一个电容的二端网络。电工学上这个网络有两个谐振点， 以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并 联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接 近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只 要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这 个并联谐振电路加到一个反馈放大电路中就可以构成正弦波振 荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他 元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化 。 u在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的谐振回路。由 于石英晶体的损耗非常小，即Q 值非常高，做振荡器用时，可 以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡 削的带通或带阻曲线。 石英晶体的等效电路 影响振荡器工作的环境因素 影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰 (EMI)、机械震动与冲击、温度和湿度。这些 因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性 ，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振 。 所以，晶振的封装很讲究，金属、陶瓷外壳 起屏蔽和机械稳定作用。 无源晶振和有源晶振 市场上晶体振荡器分为无源有源晶振两种类型。无源晶 振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为 crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器 ）。无源晶振实际上是一颗石英晶体，需要借助于时钟 电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源 晶振”这个说法并不准确；有源晶振-振荡器模块，才是 一个完整的振荡器。 振荡器的性能受环境条件和电路元件选择的影响较大。 需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。相比 之下，有源晶振（钟振）更加稳定，工程应用更加方便 。 无源晶振 有源晶振 石英晶体振荡器的主要参数 u晶振的主要参数有标称频率、频率精度、频率稳定度、相位抖动 Jitter/相位噪声、负载电容、工作电压、工作电流等。 u不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。 u频率精度从10(-4)量级到10(-10)量级不等。 u稳定度从0.1到100ppm不等。 u相位抖动Jitter /相位噪声Noise，如 10ps /-80dBcoffsetfreq u工作电压：5V，3.3V, 3.0V, 2.5V, 1.8V 如何选择晶振 u晶振的参数决定了晶振的品质和性能。不同 性能的晶振，价格也不同，要求越高，价格 也越贵。 u在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶 振。通信网络、无线数据传输等系统就需要 更高要求的石英晶体振荡器。 石英晶体振荡器分类 国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分 为4类： 普通晶体振荡（SPXO, Simple Clock Osc. ） 电压控制式晶体振荡器（VCXO） 温度补偿式晶体振荡（TCXO） 恒温控制式晶体振荡（OCXO） 数字补偿式晶体振荡器（DCXO） 各种晶振的精度范围 u普通晶体振荡器（SPXO）可产生10(-5)10(-4)量级的频率精度，标 准频率1100MHZ，频率稳定度是100ppm。SPXO没有采用任何温度频 率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从 21146mm及53.21.5mm。 u电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10(-6)10(-5)量级，频率 范围130MHz。低容差振荡器的频率稳定度是50ppm。通常用于锁相环 路。 u温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿， 频率精度达到10(-7)10(-6)量级，频率范围160MHz，频率稳定度 为0.52.5ppm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等 。 u恒温控制式晶体振荡器（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。OCXO频率精度是10(-10)至10(-8)量级 ，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。 晶振的缺点 u受石英晶体自身的特性限制，比较脆弱，抗 震性能差； u由于切割尺寸难以继续缩