選擇晶振時需要考慮的7個關(guān)鍵點(diǎn)

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

晶振又稱石英晶體或石英晶體諧振器，是利用石英晶體（又稱水晶）的壓電效應(yīng)，用來產(chǎn)生高精度振蕩頻率的一種電子元件，屬于被動元件。該元件主要由石英晶片、基座、外殼、銀膠、銀等成分組成。設(shè)計(jì)中，大多數(shù)電子系統(tǒng)需要某種振蕩器作為其關(guān)鍵功能塊。 一些典型的用途包括：用于同步操作的數(shù)字系統(tǒng)中的時鐘；用于接收器或發(fā)射器的穩(wěn)定RF信號；用于精確測量的精確頻率參考；或用于精確計(jì)時的實(shí)時時鐘。系統(tǒng)規(guī)范以及要求振蕩器所起的作用將決定晶振的大多數(shù)參數(shù)。

一、輸出頻率

任何振蕩器最基本的屬性都是它生成的頻率。根據(jù)定義，振蕩器是接受輸入電壓（通常為直流電壓）并在某一頻率下產(chǎn)生重復(fù)交流輸出的器件。所需的頻率由系統(tǒng)類型和如何使用該振蕩器所決定。一些應(yīng)用需要kHz范圍內(nèi)的低頻晶體。一個常見的例子是32.768 kHz手（鐘）表晶體。 但是大多數(shù)當(dāng)前的應(yīng)用需要更高頻率的晶體，范圍從小于10MHz到大于100MHz。

二、注意輸出信號、頻率重現(xiàn)性

無源晶振選型手冊中石英晶體諧振器根據(jù)其外型結(jié)構(gòu)不同可分為HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/S·SMD、UM-1、UM-5及柱狀晶體。廣泛適用于讀卡器。數(shù)碼攝像頭、計(jì)算機(jī)、筆記本、路由器、交換機(jī)、監(jiān)控安防等。也要選擇輸出信號好的、頻率重現(xiàn)性強(qiáng)的型號，輸出信號主要包括上空沿、下降沿、負(fù)載能力、輸出電壓、輸出阻抗等等，現(xiàn)在常見的輸出信號有方波、正弦波、以及削頂正弦波這些種類的波。頻率重現(xiàn)性就是在一定的溫度下，把振蕩器關(guān)機(jī)后再在相同的溫度下稍等一會兒，之后再開機(jī)，看輸出頻率與關(guān)機(jī)之前頻率之差是否穩(wěn)定，可以以此來判斷頻率重現(xiàn)性好不好。

三、頻率穩(wěn)定性和溫度范圍

所需的頻率穩(wěn)定性由系統(tǒng)要求確定。振蕩器的穩(wěn)定性可簡單地表述為：由于某些原因引起的頻率變化除以中心頻率。

即：穩(wěn)定性=頻率變化÷中心頻率

例如，如果振蕩器輸出頻率為10MHz，并且隨溫度變化了10Hz，則其溫度穩(wěn)定性為：10 / 10,000,000 = 1x10-6 = 1ppm。 晶振的典型穩(wěn)定性可以在100ppm至0.001ppm之間。 頻率穩(wěn)定性通常由應(yīng)用要求決定，并進(jìn)而確定將需要的晶振類型。振蕩器必須工作的溫度范圍是確定可以達(dá)到的穩(wěn)定性的主要因素。

晶振類型
簡單晶振（XO）：這是最基本的類型，其穩(wěn)定性完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 MHz范圍內(nèi)的較高頻率晶體由石英棒制成，其制造工藝應(yīng)滿足：即使環(huán)境溫度在-55℃至+125℃（-67°F至 +257°F）之間變化，也可提供相對穩(wěn)定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)切割的石英晶體也可實(shí)現(xiàn)±25ppm的穩(wěn)定性。與諸如隨溫度變化可達(dá)1％（10,000ppm）或更高的LC振蕩電路等其它無源諧振器相比，晶體振蕩器的性能有了根本提升。但對于某些應(yīng)用來說，即使25ppm也不夠好，因此必須采用額外措施。

溫度補(bǔ)償晶振（TCXO）：如果固有頻率與石英晶體的溫度穩(wěn)定性不能滿足應(yīng)用要求，可以采用溫度補(bǔ)償單元。 TCXO使用溫度感測器件以及產(chǎn)生電壓曲線的電路，在整個溫度范圍內(nèi)，該電壓曲線與晶體的頻率變化趨勢完全相反，所以可理想地抵消晶體的漂移。 根據(jù)TCXO的類型和溫度范圍，TCXO的典型穩(wěn)定性規(guī)范范圍為小于±0.5ppm至±5ppm。

恒溫控制晶振（OCXO）：對于某些應(yīng)用，TCXO的頻率-溫度穩(wěn)定性指標(biāo)仍無法滿足要求。在這些情況下，可能需要OCXO。顧名思義，具有烤腔的振蕩器將晶體加熱到更高溫度，該被控溫度使得即使環(huán)境溫度可能變化很大，晶體的溫度也保持穩(wěn)定。由于晶體的溫度和振蕩器的敏感部分的變化很小，頻率-環(huán)境溫度穩(wěn)定性得到顯著改善。在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，OCXO的穩(wěn)定性可以達(dá)到0.001ppm。然而，這種穩(wěn)定性的提升是以增加功耗為代價的，將熱量提供給烤腔當(dāng)然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率來維持內(nèi)部溫度。在開機(jī)后，還需要等待溫度和頻率穩(wěn)定下來的暖機(jī)時間，取決于晶振類型，暖機(jī)時長通常從1分鐘到10多分鐘。

壓控晶振（VCXO）：在一些應(yīng)用中，期望能夠調(diào)諧或調(diào)整振蕩器的頻率，以便將其鎖相到鎖相環(huán)中的參考、或還可能是對波形進(jìn)行調(diào)制。VCXO通過電子頻率控制（EFC）電壓輸入提供此功能。對于某些專用器件，VCXO的調(diào)諧范圍規(guī)范可能在±10ppm到±100ppm（甚至更高）。

TCVCXO和VCOCXO：TCXO或OCXO通常包括EFC輸入電壓。這就允許進(jìn)行調(diào)整，以便將輸出頻率精確地校準(zhǔn)為標(biāo)稱值。

Generic XO Block Diagram: 通用簡單晶振框圖
Oscillator circuit: 振蕩器電路
Output: 輸出
Generic TCXO Block diagram: 通用溫度補(bǔ)償晶振框圖
Temperature dependent compensation voltage generator: 依賴電壓發(fā)生器的溫度補(bǔ)償
Varactor diode: 變?nèi)?a target="_blank">二極管
Generic OCXO Block diagram: 通用恒溫控制晶振框圖
Oven cavity: 烤腔
Temp sensor: 溫度傳感器
Oscillator: 振蕩器
RF OUTPUT: RF輸出
Output amp: 輸出放大器
Setpoint: 設(shè)置點(diǎn)
Proportional controller: 比例控制器
Heater: 加熱器

Temp: 溫度
Stability: 穩(wěn)定性

四、輸入電壓和功率
任何類型的晶振通常都可以被設(shè)計(jì)為利用系統(tǒng)中已有的DC輸入電源電壓來操作。 在數(shù)字系統(tǒng)中，通常希望使用與振蕩器將驅(qū)動的系統(tǒng)中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來驅(qū)動晶振，以便邏輯電平是直接兼容的。+3.3V或+5V是這些數(shù)字單元的典型輸入。具有較高功率輸出的其它器件可以使用較高電壓，例如+12V或+15V。另一個考慮因素是為器件供電所需的電流量。XO或TCXO可能只需要幾mA，因此在低電壓系統(tǒng)中，其功耗可以小于0.01W。另一方面，在上電時，一些OCXO可以需要5W或6W。

五、輸出波形
然后要選擇輸出波形以匹配振蕩器將在系統(tǒng)中驅(qū)動的負(fù)載。最常見的輸出之一是CMOS——以驅(qū)動邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和系統(tǒng)的Vdd軌之間擺動的方波。對于高于約100MHz的較高頻率，通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個180°異相的輸出、具有快速上升和下降時間以及非常小的抖動。最通用的類型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用于驅(qū)動RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件，則通常會指定某個功率級別的正弦波輸出。產(chǎn)生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm（1mW到20mW）之間，盡管如果需要可以輸出更高功率。

六、封裝尺寸和外形
基于振蕩器類型和規(guī)格，對晶振封裝的要求將大相徑庭。簡單的時鐘振蕩器和一些TCXO可以裝在小到1.2×2.5mm2的封裝中；而一些OCXO可以大到50×50mm2，對某些特定設(shè)計(jì)，甚至可更大。雖然一些通孔封裝如雙列直插式4或14引腳類型仍然用于較大的部件（如OCXO或?qū)Ｓ肨CXO），但大多數(shù)當(dāng)前設(shè)計(jì)使用表貼封裝。這些表貼配置可以是密封的陶瓷封裝，或基于FR-4的、具有用于I/O的建構(gòu)的組件。

如上所述，當(dāng)選定晶振時，有許多不同的選擇要考慮。然而，通過檢查使用晶振的系統(tǒng)，最方便的選擇將變得顯而易見；例如可用于為晶振供電的輸入電壓以及振蕩器的輸出將驅(qū)動的器件的類型等因素。還必須考慮應(yīng)用的其它約束條件，例如物理尺寸和操作環(huán)境。除了這些基本參數(shù)之外，針對特定應(yīng)用，還有許多其它規(guī)范要予以考量。但當(dāng)將這些因素通盤考慮后，很可能會找到一款滿足系統(tǒng)要求的晶振。

七、老化率、開機(jī)特性

在對無源晶振選型的時候，也要注意每種型號的開機(jī)特性、老化率以及壓控特性，老化率是指隨著時間比如一年、十年、二十年……晶體振蕩器隨著時間的流逝相對于標(biāo)稱頻率的偏離值。開機(jī)特性就是指無源晶振在連接上開關(guān)之后，用曲線來表示頻率-時間的特性。壓控特性是指相對于機(jī)械調(diào)節(jié)范圍的特性。

審核編輯黃昊宇