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珠海凱晶電子有限公司

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晶振技術參數及技術知識!

2014-05-09

一、石英晶體諧振器: 

A、主要指標 
1.頻率 f         
2.頻率公差     
3.切型 AT  BT  SC       
4.泛音次數  基頻  三次泛音  五次泛音  七次泛音     
5.電阻  Rr  RL       
6.負載電容  CL 
7.靜電容  Co     
8.動態電容 C1   
9.電容比 r =Co / C1   
10.頻率牽移 Ts ( ppm / pF )   
11.Q值 
12.DLD   
13.老化 
14.寄生抑制 
15.頻率溫度特性(F-T) 

B、有源晶振與無源晶振 
   石英晶片之所以能當為振蕩器使用,是基于它的壓電效應:在晶片的兩個極上加一電場,會使晶體產生機械變形;在石英晶片上加上交變電壓,晶體就會產生機械振動,同時機械 
變形振動又會產生交變電場,雖然這種交變電場的電壓極其微弱,但其振動頻率是十分穩定的。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(由晶片的尺寸和形狀決定)相等時,機械振動的 
幅度將急劇增加,這種現象稱為“壓電諧振”。 
   在電子學上,通常將含有晶體管元件的電路稱作“有源電路”(如有源音箱、有源濾波器等),而僅由阻容元件組成的電路稱作“無源電路”。電腦中的晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振的英文名稱不同,無源晶振為crystal(晶體),而有源晶振則叫做oscillator(振蕩器)。無源晶振是有2個引腳的無極性元件,需要借助于時鐘電路才能產生振蕩信號,自身無法振蕩起來,所以“無源晶振”這個說法并不準確;有源晶振有4只引腳,是一個完整的振蕩器,其中除了石英晶體外,還有晶體管和阻容元件,因此體積較大。 

二、晶體振蕩器: 

A、晶體振蕩器是一種時間/頻率器件,由晶體諧振器和振蕩電路組成。 


B、晶體振蕩器的分類: 
按照其功能類型可分為四種: 
SPXO  簡單封裝晶體振蕩器 
VCXO  電壓控制晶體振蕩器 
TCXO  溫度控制晶體振蕩器 溫度補償晶體振蕩器 
OCXO  恒溫晶體振蕩器 溫度控制晶體振蕩器 


C、常規批量生產可達到的穩定度: 
                 SPXO       VCXO      TCXO         OCXO 
0 to 70℃      10 ppm     10 ppm    0.1 ppm     0.005 ppm 
-20 to 70℃     25 ppm     25 ppm    0.3 ppm     0.01 ppm 
-40 to 85℃     30 ppm     30 ppm    0.5 ppm     0.03 ppm 
-55 to 125℃    50 ppm     50 ppm    1.0 ppm       N/A 
工作溫度范圍內的穩定度要求 典型應用             振蕩器類型 
±0.2ppm           電信傳輸設備的時鐘基準           OCXO 
±0.2~±0.5ppm 電信傳輸設備的Stratum 3時鐘基準    OCXO,帶模擬集成電路的TCXO 
±0.5~±1.0ppm 軍用無線電設備,E-911蜂窩電話定位器 帶模擬集成電路的TCXO 
±1.0~±2.5ppm 移動無線電設備(例如應急通信設備) 帶模擬集成電路的TCXO 
±2.5~±10ppm     移動電話 帶電熱調節的TCXO 
±10~±20ppm     傳真機 TCXO,VCXO,SPXO     
    > ±20ppm   計算機時鐘信號源 SPXO/XO 


D、晶體振蕩器主要技術指標: 
1)標稱頻率 
2)中心頻率偏差 
3)頻率調整范圍(機械或壓控) 
4)工作溫度范圍 
5)壓控特性(電壓范圍、極性、線性度、壓控輸入阻抗) 
6)輸出波形(正弦波; 方波:上升/下降沿時間、占空比、高/低電平) 
7)工作電流、功耗 
8)電壓變化頻率穩定度 
9)負載變化頻率穩定度 
10)溫度頻率穩定度 
11)負載能力 
12)頻率老化(長期頻率穩定度) 
13)短期頻率穩定度 
14)相位噪聲 
15)開機特性 


E、晶體振蕩器-SPXO: 
簡單封裝晶體振蕩器,沒有電壓控制和溫度補償,頻率溫度特性取決于晶體單元, 
稱為SPXO(Simple Packaged Crystal Oscillator )或時鐘(Clock)。 


F、溫度補償晶體振蕩器-TCXO: 
1.直接溫度補償晶體振蕩器 
2.間接溫度補償晶體振蕩器 


G、恒溫晶體振蕩器 - OCXO 
近年來,由于技術的發展,OCXO多采用功率器件直接加熱的方法,只有一些指標要求很高的OCXO才使用恒溫槽。 


H、OCXO主要技術指標定義的IEC標準 
1)標稱頻率(Nominal frequency) 
   振蕩器標明的工作頻率。 
2)中心頻率偏差 (Frequency accuracy) 
   在基準點溫度環境(25 ± 2 ℃ )和中心控制電壓時,測得的頻率值與標稱頻率的偏差。 
3)頻率調諧范圍(Frequency adjustment range) 
   用某種可變元件使振蕩器頻率能夠改變的頻率范圍。 
   注:調整的目的: 
      1)把頻率調到規定調整范圍內的任一特定值。 
      2)由于老化和其它條件變化而引起頻率偏移后,能夠把振蕩器頻率修正到規定值。 
      調整的方式: 
      3)調節方式有機械調節和電壓調節兩種 
      4)可變元件通常指變容二極管、多圈電位器等。 
4)工作溫度范圍 (Operating temp. range) 
  振蕩器能夠正常工作,其頻率及其它輸出信號性能均不超過規定的允許偏差的溫度范圍。 
  注:1)工作溫度范圍的下限越低,振蕩器功耗越大,同時頻率溫度穩定度越難實現。 
      2)工作溫度范圍的上限越高,晶體拐點設置越高, 晶體成本上升越多。 
5)壓控特性(電壓范圍、極性、線性、壓控輸入阻抗) 
當控制電壓變化時,引起的振蕩器輸出的頻率、波形特征等電特性的變化。 
注:1)電壓范圍:用來調節頻率的電壓的可調范圍。常見的有0~3.3V,  0.3~3.0V, 0~ 5V, 0.5~4.5V等。   
    2)壓控范圍:壓控電壓在電壓范圍內變化的時候,振蕩器的頻率能夠變化的范圍。 
    3)極性:當振蕩器的頻率隨壓控電壓的增加而增加的時候,壓控極性為正極性,反之為負極性。 
    4)線性度:理想的壓控電壓和頻率變化量的關系是線性的, 但實際上總會有所偏差, 這個偏差就是 
       表征理想程度的壓控線性度, 通常用百分比表示。 
    5)如果系統不能給出穩定的電壓信號, 或者對輸出頻率有嚴格的控制要求時, 通常振蕩器可以自己給 
       出經過穩壓后的精準的電壓供壓控電壓用, 這個精準的電壓就是參考電壓。 
6)輸出波形(Output waveform)    正弦: 負載能力 
   方波: 上升沿時間、下降沿時間、占空比、高/低電平 
振蕩器工作時輸出的波形及波形的具體特性。 
注:常見輸出波形及輸出特性指標: 
  1)正弦波(Sine):諧波抑制(Harmonic attenuation)、 
     雜波抑制(Noise attenuation )、負載(Load)、輸出幅度(Output level)。 
  2)削峰正弦波(Clipping Sine):負載(Load)、輸出幅度(Output level)。 
  3)方波(Square):又分為MOS和TTL兩類輸出。 
     負載(Load)、占空比(Duty cycle)、上升/下降時間(Rise/fall time)、 
     高低電平(“1” and “0” level)。 
7)工作電流、功耗 (Input current, power consumption) 
8)頻率溫度穩定度 (Frequency stability over temp.) 
   其它條件不變時,由于振蕩器工作在規定的溫度范圍內引起的相對于基準溫度時的頻率偏移。 
9)負載變化頻率穩定度 (Frequency stability Vs voltage+/-5% ) 
   其它條件不變時,由于負載阻抗在規定范圍內變化引起的相對于規定的負載條件時的頻率偏移。 
10)電源變化頻率穩定度 (Frequency stability Vs Load+/-10% ) 
    其它條件不變時,由于電源電壓在規定范圍內變化引起的相對于規定的電源電壓時的頻率偏移。 
11)老化率(長期頻率穩定度)(Aging , long term stability) 
    振蕩器頻率與時間之間的關系。 
    注: 這種頻率漂移是石英晶體或/和電路中的其它元器件的長期變化造成的,可以用規定時間間隔內平均頻率的相對變化來表示。 
       頻率老化是不可避免的。同時方向可能為正也可能為負。 
       又稱為日老化率、長穩等。 
12)短期頻率穩定度(Short term stability) 
      振蕩器短時間內的頻率隨機起伏程度。 
    注:以秒為單位,又稱為秒基穩定度、秒穩、短穩等。 
13)相位噪聲(Phase noise) 
    振蕩器短期頻率穩定度的頻域量度,通常用相應起伏功率譜密度SΨ(f) 表示,其中相位起伏函數為Ψ(f)=2πFt-2πF0t 
    注:抖動是振蕩器短期頻率穩定度的時域量度,實際上和相位噪聲都是頻率短期穩定度的一種度量方式。 
14)其他指標:功耗,開機特性,重現性,可工作溫度范圍,抗機械沖擊性能,抗電脈沖沖擊性能,存儲溫度范圍, 
   重力加速度頻率穩定度,恒溫報警,三態控制 
TCXO     Temperature Compensated Crystal Oscillators  溫補晶振 TCVCXO TemperatureCompensatedVoltageControlled Oscillators  溫補壓控晶振

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