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更多>>如何正確選用高精密石英晶體振蕩器
來源：http://www.fengxong.cn 作者：kangbidz 2013年11月21
現(xiàn)如今幾乎所有的東西都離不開電子,天上飛的衛(wèi)星,水里游的潛艇,包括路上跑的汽車,不得不說,電子科技革命確實是改變了一個時代,科技的發(fā)達使國富民強,但是在這些大家伙后面真正起到作用的還是那些小個的電子零件.
正確的選擇一款適用的電子零件很重要,比如說晶振,很多客戶在不了解的情況下,通常會不知道具體的型號,規(guī)格,就找產(chǎn)品,導(dǎo)致很多客戶最后買回去的零件有些不匹配,有些直接是用不了.特別是石英晶體振蕩器（因為晶振分很多種類,其中石英晶體振蕩器就是類別的一種）.為什么說它特別呢,那是因為它比普通的晶振參數(shù)要復(fù)雜的多,而且外形封裝也不一樣,做出的成品技術(shù)也不一樣.
石英晶體振蕩器也可以叫有源晶振,它的參數(shù)無非分為幾種,頻率型號,精度PPM值（一般精密的振蕩器精度值都要求的比較高,特別是溫補晶振,其要求就在1-5PPM之間）,負載電容值,諧振電壓等.所以朋友們在選用的時候需要清楚的知道它的主要參數(shù),電壓不同也會有所影響其性能.清楚明了的知道這些參數(shù)對有效的選用石英晶體振蕩器是有極大的幫助.
除此之外還有幾點外在條件須考慮：
1.頻率穩(wěn)定性的考慮：晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性,它是決定振蕩器價格的重要因素.穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬,器件的價格亦愈高.工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-40～+75℃這個范圍往往只是出于設(shè)計者們的習(xí)慣,倘若-30～+70℃已經(jīng)夠用,那么就不必去追求更寬的溫度范圍.設(shè)計工程師要慎密決定特定應(yīng)用的實際需要,然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)定度.指標(biāo)過高意味著花錢愈多.
晶體老化是造成頻率變化的又一重要因素.根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的預(yù)期壽命不同,有多種方法可以減弱這種影響.晶體老化會使輸出頻率按照對數(shù)曲線發(fā)生變化,也就是說在產(chǎn)品使用的第一年,這種現(xiàn)象才最為顯著.例如,使用10年以上的晶體,其老化速度大約是第一年的3倍.采用特殊的晶體加工工藝可以改善這種情況,也可以采用調(diào)節(jié)的辦法解決,比如,可以在控制引腳上施加電壓（即增加電壓控制功能）等.
與穩(wěn)定度有關(guān)的其他因素還包括電源電壓、負載變化、相位噪聲和抖動,這些指標(biāo)應(yīng)該規(guī)定出來.對于工業(yè)產(chǎn)品,有時還需要提出振動、沖擊方面的指標(biāo),軍用品和宇航設(shè)備的要求往往更多,比如壓力變化時的容差、受輻射時的容差，等等.
2.輸出：必須考慮的其它參數(shù)是輸出類型、相位噪聲、抖動、電壓特性、負載特性、功耗、封裝形式，對于工業(yè)產(chǎn)品,有時還要考慮沖擊和振動、以及電磁干擾（EMI）.晶體振蕩器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波輸出.每種輸出類型都有它的獨特波形特性和用途.應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互補輸出的要求.對稱性、上升和下降時間以及邏輯電平對某些應(yīng)用來說也要作出規(guī)定.許多DSP和通信芯片組往往需要嚴格的對稱性（45%至55%）和快速的上升和下降時間（小于5ns）.
相位噪聲和抖動：在頻域測量獲得的相位噪聲是短期穩(wěn)定度的真實量度.它可測量到中心頻率的1Hz之內(nèi)和通常測量到1MHz.晶體振蕩器的相位噪聲在遠離中心頻率的頻率下有所改善,TCXO和OCXO振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的石英晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能.采用鎖相環(huán)合成器產(chǎn)生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術(shù)的振蕩器一般呈現(xiàn)較差的相位噪聲性能.
抖動與相位噪聲相關(guān),但是它在時域下測量.以微微秒表示的抖動可用有效值或峰—峰值測出.許多應(yīng)用,例如通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、ATM和SONET要求必須滿足嚴格的拌動指標(biāo).需要密切注意在這些系統(tǒng)中應(yīng)用的振蕩器的抖動和相位噪聲特性.
電源和負載的影響：振蕩器的頻率穩(wěn)定性亦受到振蕩器電源電壓變動以及振蕩器負載變動的影響.正確選擇振蕩器可將這些影響減到最少,設(shè)計者應(yīng)在建議的電源電壓容差和負載下檢驗振蕩器的性能.不能期望只能額定驅(qū)動15pF的振蕩器在驅(qū)動50pF時會有好的表現(xiàn).在超過建議的電源電壓下工作的振蕩器亦會呈現(xiàn)較差的波形和穩(wěn)定性.對于需要電池供電的器件,一定要考慮功耗.引入3.3V的產(chǎn)品必然要開發(fā)在3.3V下工作的振蕩器.較低的電壓允許產(chǎn)品在低功率下運行,大部分市售的表面貼裝振蕩器在3.3V下工作,許多采用傳統(tǒng)5V器件的穿孔式振蕩器正在重新設(shè)計,以便3.3V下工作.
3.封裝：與其它電子元件相似,時鐘振蕩器亦采用愈來愈小型的封裝.根據(jù)客戶的需要制作各種類型、不同尺寸的晶體振蕩器（具體資料請參看產(chǎn)品手冊）.通常,較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴.所以,小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷.
4.工作環(huán)境：晶體振蕩器實際應(yīng)用的環(huán)境需要慎重考慮.例如,高強度的振動或沖擊會給振蕩器帶來問題.除了可能產(chǎn)生物理損壞,振動或沖擊可在某些頻率下引起錯誤的動作。這些外部感應(yīng)的擾動會產(chǎn)生頻率跳動、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。
對于要求特殊EMI兼容的應(yīng)用，EMI是另一個要優(yōu)先考慮的問題。除了采用合適的PC母板布局技術(shù)，重要的是選擇可提供輻射量最小的時鐘晶振,一般來說，具有較慢上升/下降時間的振蕩器呈現(xiàn)較好的EMI特性。
5.檢測：對于晶振的檢測,通常僅能用示波器(需要通過電路板給予加電)或頻率計實現(xiàn)。萬用表或其它測試儀等是無法測量的。如果沒有條件或沒有辦法判斷其好壞時,那只能采用代換法了,這也是行之有效的。
石英晶振常見的故障有：(a)內(nèi)部漏電；(b)內(nèi)部開路；(c)變質(zhì)頻偏；(d)與其相連的外圍電容漏電。從這些故障看,使用萬用表的高阻檔和測試儀的VI曲線功能應(yīng)能檢查出(C),(D)項的故障,但這將取決于它的損壞程度.
作者—康比電子
正確的選擇一款適用的電子零件很重要,比如說晶振,很多客戶在不了解的情況下,通常會不知道具體的型號,規(guī)格,就找產(chǎn)品,導(dǎo)致很多客戶最后買回去的零件有些不匹配,有些直接是用不了.特別是石英晶體振蕩器（因為晶振分很多種類,其中石英晶體振蕩器就是類別的一種）.為什么說它特別呢,那是因為它比普通的晶振參數(shù)要復(fù)雜的多,而且外形封裝也不一樣,做出的成品技術(shù)也不一樣.
石英晶體振蕩器也可以叫有源晶振,它的參數(shù)無非分為幾種,頻率型號,精度PPM值（一般精密的振蕩器精度值都要求的比較高,特別是溫補晶振,其要求就在1-5PPM之間）,負載電容值,諧振電壓等.所以朋友們在選用的時候需要清楚的知道它的主要參數(shù),電壓不同也會有所影響其性能.清楚明了的知道這些參數(shù)對有效的選用石英晶體振蕩器是有極大的幫助.
除此之外還有幾點外在條件須考慮：
1.頻率穩(wěn)定性的考慮：晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性,它是決定振蕩器價格的重要因素.穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬,器件的價格亦愈高.工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-40～+75℃這個范圍往往只是出于設(shè)計者們的習(xí)慣,倘若-30～+70℃已經(jīng)夠用,那么就不必去追求更寬的溫度范圍.設(shè)計工程師要慎密決定特定應(yīng)用的實際需要,然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)定度.指標(biāo)過高意味著花錢愈多.
晶體老化是造成頻率變化的又一重要因素.根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的預(yù)期壽命不同,有多種方法可以減弱這種影響.晶體老化會使輸出頻率按照對數(shù)曲線發(fā)生變化,也就是說在產(chǎn)品使用的第一年,這種現(xiàn)象才最為顯著.例如,使用10年以上的晶體,其老化速度大約是第一年的3倍.采用特殊的晶體加工工藝可以改善這種情況,也可以采用調(diào)節(jié)的辦法解決,比如,可以在控制引腳上施加電壓（即增加電壓控制功能）等.
與穩(wěn)定度有關(guān)的其他因素還包括電源電壓、負載變化、相位噪聲和抖動,這些指標(biāo)應(yīng)該規(guī)定出來.對于工業(yè)產(chǎn)品,有時還需要提出振動、沖擊方面的指標(biāo),軍用品和宇航設(shè)備的要求往往更多,比如壓力變化時的容差、受輻射時的容差，等等.
2.輸出：必須考慮的其它參數(shù)是輸出類型、相位噪聲、抖動、電壓特性、負載特性、功耗、封裝形式，對于工業(yè)產(chǎn)品,有時還要考慮沖擊和振動、以及電磁干擾（EMI）.晶體振蕩器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波輸出.每種輸出類型都有它的獨特波形特性和用途.應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互補輸出的要求.對稱性、上升和下降時間以及邏輯電平對某些應(yīng)用來說也要作出規(guī)定.許多DSP和通信芯片組往往需要嚴格的對稱性（45%至55%）和快速的上升和下降時間（小于5ns）.
相位噪聲和抖動：在頻域測量獲得的相位噪聲是短期穩(wěn)定度的真實量度.它可測量到中心頻率的1Hz之內(nèi)和通常測量到1MHz.晶體振蕩器的相位噪聲在遠離中心頻率的頻率下有所改善,TCXO和OCXO振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的石英晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能.采用鎖相環(huán)合成器產(chǎn)生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術(shù)的振蕩器一般呈現(xiàn)較差的相位噪聲性能.
抖動與相位噪聲相關(guān),但是它在時域下測量.以微微秒表示的抖動可用有效值或峰—峰值測出.許多應(yīng)用,例如通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、ATM和SONET要求必須滿足嚴格的拌動指標(biāo).需要密切注意在這些系統(tǒng)中應(yīng)用的振蕩器的抖動和相位噪聲特性.
電源和負載的影響：振蕩器的頻率穩(wěn)定性亦受到振蕩器電源電壓變動以及振蕩器負載變動的影響.正確選擇振蕩器可將這些影響減到最少,設(shè)計者應(yīng)在建議的電源電壓容差和負載下檢驗振蕩器的性能.不能期望只能額定驅(qū)動15pF的振蕩器在驅(qū)動50pF時會有好的表現(xiàn).在超過建議的電源電壓下工作的振蕩器亦會呈現(xiàn)較差的波形和穩(wěn)定性.對于需要電池供電的器件,一定要考慮功耗.引入3.3V的產(chǎn)品必然要開發(fā)在3.3V下工作的振蕩器.較低的電壓允許產(chǎn)品在低功率下運行,大部分市售的表面貼裝振蕩器在3.3V下工作,許多采用傳統(tǒng)5V器件的穿孔式振蕩器正在重新設(shè)計,以便3.3V下工作.
3.封裝：與其它電子元件相似,時鐘振蕩器亦采用愈來愈小型的封裝.根據(jù)客戶的需要制作各種類型、不同尺寸的晶體振蕩器（具體資料請參看產(chǎn)品手冊）.通常,較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴.所以,小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷.
4.工作環(huán)境：晶體振蕩器實際應(yīng)用的環(huán)境需要慎重考慮.例如,高強度的振動或沖擊會給振蕩器帶來問題.除了可能產(chǎn)生物理損壞,振動或沖擊可在某些頻率下引起錯誤的動作。這些外部感應(yīng)的擾動會產(chǎn)生頻率跳動、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。
對于要求特殊EMI兼容的應(yīng)用，EMI是另一個要優(yōu)先考慮的問題。除了采用合適的PC母板布局技術(shù)，重要的是選擇可提供輻射量最小的時鐘晶振,一般來說，具有較慢上升/下降時間的振蕩器呈現(xiàn)較好的EMI特性。
5.檢測：對于晶振的檢測,通常僅能用示波器(需要通過電路板給予加電)或頻率計實現(xiàn)。萬用表或其它測試儀等是無法測量的。如果沒有條件或沒有辦法判斷其好壞時,那只能采用代換法了,這也是行之有效的。
石英晶振常見的故障有：(a)內(nèi)部漏電；(b)內(nèi)部開路；(c)變質(zhì)頻偏；(d)與其相連的外圍電容漏電。從這些故障看,使用萬用表的高阻檔和測試儀的VI曲線功能應(yīng)能檢查出(C),(D)項的故障,但這將取決于它的損壞程度.
作者—康比電子
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