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来自工程师撰写的石英晶体振荡器详细解说

来源:http://www.taiheth.com 作者:泰河电子工程部 2019年07月30
  这些应用笔记的目的是帮助客户指定时钟振荡器。有关振荡器类型的背景信息,以及一些常见的定义和有用的公式。 振荡器产品系列包括时钟振荡器,TCXO,VCXO,VCTCXO和VCO。
  时钟振荡器:标准时钟振荡器是最常用的振荡器类型,几乎应用于电子行业的各个方面。时钟振荡器用于建立用于定时目的的参考频率。典型的应用是计算机中事件的排序。
  晶体控制时钟振荡器通常包括放大器和反馈网络,选择放大器输出的一部分并将其返回到放大器输入。这种电路的简化框图如下(图1)所示。
 
图1)晶体控制时钟振荡器的简化框图
  石英晶体振荡器振荡的基本标准是:1。开环增益必须大于振荡器环路周围的损耗和2.振荡器环路周围的相移必须为0或360度。
  振荡器可用于生成不同类型的波形。振荡器产生的最常见波形类型是正弦波和方波。
  下面列出了用于指定时钟振荡器的主要参数。
  逻辑TTL,HCMOS:通常,HCMOS振荡器带有驱动TTL电路(反之亦然)。随着IC制造商停止供应许多常见的TTL IC,业界正逐渐远离TTL逻辑。大多数ECS时钟振荡器兼容HCMOS / TTL。
  频率稳定性:最常见的稳定性是25,50和100 PPM。总体稳定性通常包括25°C时的精度,由于工作温度,输入电压,老化,冲击和振动的变化而产生的影响。 ±100PPM稳定性是最受欢迎的,因为它足以运行微处理器。电信行业一直在朝着更紧凑和更紧密的稳定方向发展。在商业(0-70°C)应用中不再提供超过±100PPM的稳定性,因为标准过程控制至少可以实现这种稳定性。要求50 PPM通常要贵一点。需要25 PPM的时钟振荡器会显着影响价格。对于超过25 PPM稳定性应用,请咨询工厂或考虑TCXO。
TCXO(温度补偿晶体振荡器)
  通常由紧公差石英晶体,温度补偿网络,振荡器电路和由输出要求确定的各种缓冲和/或输出级组成。当电容器与晶体单元串联插入时,晶体具有频率变化的特性,如图2所示(图2)
 
图2)晶体单元的负载电容特性
  利用上述特性,可以通过在振荡外观中插入由热敏电阻,电阻和电容组成的温度补偿电路来稳定频率,如图3所示。温度补偿网络用于检测环境温度并以降低石英晶体的频率与温度效应的方式“拉”晶体频率。
 
图3)温度补偿电路
  当总体稳定性需求大于时钟振荡器时,通常需要TCXO。此外,TCXO温补晶振的长期老化效应优于大多数时钟振荡器。
 输入电压:大多数TCXO设计为在5VDC,3.3 VDC或两者的组合下工作。
 射频输出:TCXO可以制造各种类型的输出:正弦波,限幅正弦波,TTL,HCMOS和ECL。请务必指定所需的输出类型,信号要求和振荡器驱动的负载.TCXO还具有频率调整功能,允许将振荡器重新调整到其中心频率以补偿老化。可以通过以下方式提供该调整。
1)振荡器内的机械调整(内部修整器)可通过机柜中的孔进入。
2)通过外壳中的引线进行电气调节,用于远程定位电位器或电压。使用这种技术的振荡器称为温度补偿电压控制晶体振荡器或TCVCXO。
3)机械和电气调整的组合。
  VCXO(压控晶体振荡器)是晶体控制的振荡器,其中输出频率可通过改变振荡器电路内可变电容器(变容二极管)上的外部控制电压来调节。由控制电压的变化引起的相关频率变化称为可牵引性。 VCXO广泛用于电信,仪器仪表和其他需要稳定但可电调谐的振荡器的电子设备中。
变容二极管是一种半导体器件,设计用于在向其施加电压时充当可变电容器。当与晶体串联使用时,如图4所示,改变控制电压会导致二极管电容发生变化。电容的这种变化导致总晶体负载电容改变并随后引起晶体频率的变化。
 
图4)典型的VCXO电路
  由于VCXO在数字数据传输中的应用日益增长,相位抖动(短期稳定性)已成为一个重要的考虑因素。相位抖动提供了确定何时发生相变的精确方法。
 定义:以下定义将帮助您了解振荡器性能和术语。
 标称频率:晶体振荡器的中心或标称输出。
 频率容差:在室温下以百万分率(PPM)表示的与标称频率的偏差。 (25°C±5°C)
 频率范围:可提供振荡器类型或型号的频段。
 频率稳定性:与温度窗口25°C,即0°C至+ 70°C的测量频率相比,最大允许频率偏差。时钟振荡器的典型稳定性为±0.01%(±100PPM)。
 工作温度:输出频率和其他电气,环境特性符合规范的温度范围。
 老化:一段时间内的相对频率变化。通常,时钟振荡器的老化在1年内最大为±5PPM。
 存储温度:安装设备的温度范围,不会损坏或改变设备的性能。
 电源电压:可以安全地施加到VCC端子的最大电压。
 输入电压(VIN):可安全施加到振荡器输入端的最大电压。
 输出高电压(VOH):在适当负载下振荡器输出端的最小电压。
 输出低电压(VIH):保证振荡器输入端触发阈值的最大电压。
 电源电流:流入Vcc端子的电流相对于地。通常,无负载地测量供电电流。
 占空比的对称性:指定电平的输出波形的对称性(TTL为1.4 V,HCMOS为1/2 Vcc,ECL为1/2波形峰值电平)。
 上升时间(TR):在指定电平测量的波形上升时间从低到高转换(HCMOS为20%至80%,ECL为0.4V,TTL为0.4 V至2.4 V)。
 下降时间(TF):在指定级别(HCMOS为80%至20%,ECL为2.4 V,TTL为0.4 V)测量的从高到低转换的波形下降时间。
 负载/扇出:不同系列振荡器可以驱动的最大负载定义为输出负载驱动能力。每个振荡器系列的负载驱动能力(扇出)是根据振荡器可以驱动的门数来规定的。
 抖动(短期稳定性):振荡器输出的相位或频率调制。
 HCMOS / TTL兼容:振荡器采用ACMOS逻辑设计,具有TTL和HCMOS负载的驱动能力,同时保持HCMOS的最小逻辑高电平。
 三态使能:当输入保持OPEN或连接到逻辑“1”时,发生正常振荡。当输入接地时(连接到逻辑“0”,输出为高阻抗状态。输入有一个内部上拉电阻,从而允许输入保持开路。
 输出逻辑:振荡器的输出设计用于满足各种指定逻辑,例如TTL,HCMOS,ECL,正弦波,限幅正弦(DC截止)。
 谐波失真:由与目标信号频率相关的不需要的谐波频谱分量引起的非线性失真。每个谐波分量是电功率与期望信号输出电功率之比,并且以dbc表示,即-20dBc。当需要干净且失真较小的信号时,谐波失真规范在正弦输出中尤为重要。
 双输出和多输出:能够从单个振荡器生成多个信号。信号可能是相关的(通常是单晶产生的信号的倍数或除数)。
 启动时间:振荡器的启动时间定义为振荡器达到其指定RF输出幅度所需的时间。
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