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课程小论文 晶振的有关知识 西华大学 模拟电子技术 示范课组员 植涛王威吕亚楠谢文彬孔麟序号 8758888691主讲 孔麟一三年十二月制 1 前言 在学到第九章正弦波振荡电路这一章后 我们又接触到了一个新的器件 晶振 上课的时候听老师讲是晶体振荡器 但却不是很了解 所以下来后上网浏览了一下 看到了一些有关晶振的知识 觉得有用 就记下来了 分享给大家 希望对大家对晶振这一元件有更深入的认识 2 摘要 晶振有着不同使用要求及特点 通分为以下几类 普通晶振 温补晶振 压控晶振 温控晶振等 在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量 交流电压应无瞬变过程 测试仪器应有足够的精度 连线合理布置 将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低 论文简单介绍了晶振的基本概念 主要参数 基本分类 工作原理 功能作用 发展趋势以及种类简介 3 晶振一般叫做晶体谐振器 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 这种晶体有一个很重要的特性 如果给它通电 它就会产生机械振荡 反之 如果给它机械力 它又会产生电 这种特性叫机电效应 他们有一个很重要的特点 其振荡频率与他们的形状 材料 切割方向等密切相关 由于石英晶体物理性能非常稳定 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 根据石英晶体的机电效应 我们可以把它等效为一个电磁振荡回路 即谐振回路 他们的机电效应是机 电 机 电 的不断转换 由电感和电容组成的谐振回路是电场 磁场的不断转换 在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路 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 晶振的基本概述 4 晶振的部分主要参数 频率准确度 在标称电源电压 标称负载阻抗 基准温度 25 以及其他条件保持不变 晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差 即 fmax fmin f0 温度稳定度 其他条件保持不变 在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度围内输出频率极值之和的允许频偏值 即 fmax fmin fmax fmin 频率调节范围 通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围 负载特性 其他条件保持不变 负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏 电压特性 其他条件保持不变 电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏 杂波 输出信号中与主频无谐波 副谐波除外 关系的离散频谱分量与主频的功率比 用dBc表示 谐波 谐波分量功率Pi与载波功率P0之比 用dBc表示 频率老化 在规定的环境条件下 由于元件 主要是石英谐振器 老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程 通常用某一时间间隔内的频差来量度 对于高稳定晶振 由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移 往往用老化率 单位时间内的相对频率变化 来量度 5 晶振的基本分类 晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型 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 有源晶振是一个完整的谐振振荡器 石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振 而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的 振荡器直接应用于电路中 谐振器工作时一般需要提供3 3V电压来维持工作 振荡器比谐振器多了一个重要技术参数 谐振电阻 RR 谐振器没有电阻要求 RR的大小直接影响电路的性能 因此这是各商家竞争的一个重要参数 6 晶振的工作原理 晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串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为串联谐振 较高的频率为并联谐振 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负反馈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 晶振有一个重要的参数 那就是负载电容值 选择与负载电容值相等的并联电容 就可以得到晶振标称的谐振频率 一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器 注意是放大器不是反相器 的两端接入晶振 再有两个电容分别接到晶振的两端 每个电容的另一端再接到地 这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容 请注意一般IC的引脚都有等效输入电容 这个不能忽略 一般的晶振的负载电容为15p或12 5p 如果再考虑元件引脚的等效输入电容 则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择 7 晶振的功能作用 晶振在应用具体起到的作用 微控制器的时钟源可以分为两类 基于机械谐振器件的时钟源 如晶振 陶瓷谐振槽路 RC电阻 电容 振荡器 一种是皮尔斯振荡器配置 适用于晶振和陶瓷谐振槽路 另一种为简单的分立RC振荡器 基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数 RC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 但其性能受环境条件和电路元件选择的影响 需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局 在使用时 陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化 具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感 但在过驱动时很容易产生频率漂移 甚至可能损坏 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 湿度和温度 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 9 晶振的功能作用 上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免 这些模块自带振荡器 提供低阻方波输出 并且能够在一定条件下保证运行 最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器 硅振荡器 晶振模块提供与分立晶振相同的精度 硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高 多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度 选择振荡器时还需要考虑功耗 分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定 CMOS放大器功耗与工作频率成正比 可以表示为功率耗散电容值 比如 HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF 在4MHz 5V电源下工作时 相当于1 8mA的电源电流 再加上20pF的晶振负载电容 整个电源电流为2 2mA 陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容 相应地也需要更多的电流 相比之下 晶振模块一般需要电源电流为10mA 60mA 硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能 范围可以从低频 固定 器件的几个微安到可编程器件的几个毫安 一种低功率的硅振荡器 如MAX7375 工作在4MHz时只需不到2mA的电流 在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素 精度 成本 功耗以及环境需求 10 晶振的发展趋势 1 小型化 薄片化和片式化 为满足移动电话为代表的便携式产品轻 薄 短小的要求 石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变 例如TCXO这类器件的体积缩小了30 100倍 采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm 目前5 3mm尺寸的器件已经上市 2 高精度与高稳定度 无补偿式晶体振荡器总精度也能达到 25ppm VCXO的频率稳定度在10 7 范围内一般可达 20 100ppm 而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为 0 0001 5ppm VCXO控制在 25ppm以下 3 低噪声 高频化 在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的 相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数 OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善 除VCXO外 其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz 例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器 其频率为650 1700MHz 电源电压2 2 3 3V 工作电流8 10mA 4 低功能 快速启动 低电压工作 低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势 电源电压一般为3 3V 许多TCXO和VCXO产品 电流损耗不超过2mA 11 晶振的种类简介 一 石英晶体振荡器 二 温度补偿晶体振荡器 三 电压控制晶体振荡器 四 恒温控制晶体振荡器 五 其它 12 参考文献 电子元件网电子网中国晶振网 13 体会 其实这篇关于