石英晶体振荡器教程

振荡器是一种在输出端子上产生AC信号的设备."振荡"这个术语可以定义为"以有规律的速度往复运动".通过将输入端的DC电压转换为输出端子上的重复AC电压,振荡器可以产生信号实现此目的.振荡器包括放大器和滤波器/耦合网络,它们使用正反馈环路工作.振荡器通常采用密闭式封装.这对于很多应用是非常实用的,例如控制数字处理器的速度,生成时钟信号,创建载波发生器或接收器等多种应用.当前市场上有多个不同类型的振荡器,包括石英晶体振荡器,MEMS,压控晶体振荡器,温度补偿晶体振荡器等.本文将探讨一些主要类型的振荡器,以及业内使用的一些常见术语.

振荡器的一些关键参数包括工作频率,供电电压,输出信号,频率稳定性.除此之外,还有其他考虑因素,但这些参数相对比较重要.

晶体振荡器(XO)

振荡器有很多不同类型.最常用的一种是晶体振荡器.石英晶振是生成时钟信号的最常用方法之一.这正是“晶体振荡器”这一名称的出处.晶体振荡器不仅只包括晶体,还有一个电路,设计用于生成适合特定负载的某种信号.晶体元件决定频率,该频率将是固定的.除了频率之外,输出的类型也是非常重要的,必须牢记这一点.如果设备需要带有TTL信号的时钟,则应选择带有TTL输出的振荡器.AbraconLLC提供的SE-48.000MHZ-LC-T就是此类振荡器的一个实例.

图1:Abracon晶振的ASE-48.000MHZ-LC-T48MHz晶体振荡器

振荡器通常以系列产品的形式推出,此类专有产品系列都遵循相同的零件编号方案.ASE-48.000MHZ-LC-T也属于此类零件编号方案.编号方案通常包括一个前缀,指示振荡器属于哪个系列.接下来通常是频率的编号,一般以MHz为单位.工作温度通常也是选项.两个最常见的工作温度范围为-20°C至70°C和-40°C至85°C.后面通常是频率稳定性的编号.根据艾博康晶振提供的术语表,频率稳定性是在工作温度范围内"相对于25°C温度下的测量频率的最大允许频率偏差".ASE系列只有CMOS输出,因此未在编号中标示.振荡器旨在驱动特定负载.晶振和振荡电路能够提供带有逻辑电平输出的信号.这些输出包括很多不同类型,旨在满足振荡器所驱动负载的逻辑需求,例如TTL,CMOS,HCMOS和削峰正弦波等.请务必查看需要振荡器时钟输出的设备的说明文档.这样用户可以知道设备需要振荡器提供哪种类型的逻辑输出.图4显示了ASE系列的零件编号方案.

图2:Abracon的ASE系列零件编号方案(图片来源:Abracon).

MEMS振荡器

基于MEMS的振荡器产生与晶体振荡器相同的结果,但工作方式不同.MEMS表示"微机电系统".这种振荡器在芯片中使用刻蚀硅片来充当具有共振频率的音叉.晶体振荡器在制造过程中涉及到两种技术.石英晶片不仅制造难度大,而且成本昂贵.它们需要与振荡电路结合,因而在制造流程中需要额外步骤.这样会提高成本,延长交付周期.MEMS振荡器只需采用硅片技术,这种技术实现了高度自动化,而且制造成本低于石英晶体.因此,成品的成本比较低.MEMS振荡器消耗的电流通常低于晶体振荡器,因而成为电池供电应用的理想选择.它们还能比晶体振荡器更好地耐受剧烈振动和冲击.SiTIME提供的SIT8808BI-73-18S-25.000000G就是可编程晶振的一个实例.

压控振荡器(VCXO)

顾名思义,压控振荡器能够基于不同输入电压来改变频率.通常有一个控制引脚,能够施加不同的电压,以更改输出电压.制造商通常会在说明文档中指明什么是"控制电压",它实际上就是控制输出频率的电压.频率控制是通过将变容二极管与晶体串联实现的.变容二极管将基于其输入电压来改变其内部电容.变容二极管是反向偏压二极管,基于耗尽区的大小来改变其电容.施加更高电压时,耗尽区也会变大,导致电容值降低.这样,用户就能够控制振荡器的频率输出.在锁相环等应用中,或者在需要温度补偿的网络中,这种特性可能是非常有用的.通过创建控制引脚的反馈环路,可以自动控制压控晶体振荡器的频率.在说明文档中应该查看的另一个参数是"绝对牵引范围".它是能够在所有环境和老化条件下控制的频率范围.CTS-FrequencyControls提供的357LB3I027M000是压控振荡器的一个实例,如图6中的图片所示.

图3:来自CTS-FrequencyControls的357LB3I02M000压控振荡器

温度补偿振荡器(TCXO)

温度补偿晶振能够对最终改变输出频率的温度变化进行补偿.这类振荡器适用于动态环境的应用.蜂窝电话就是一个很好的例子,该设备在其生命周期中可能遇到冷热不同的环境.智能手机中的微处理器需要在冬季和夏季的不同气候条件下工作,但用户期望它在所有条件下都保持相同的工作状态.温度补偿振荡器使用补偿网络,针对温度变化进行调节.它们是压控振荡器和恒温控制振荡器(OCXO)之间的桥梁,与典型的温度控制振荡器相比,其成本更昂贵,功耗也更高.温度补偿网络通常由热敏电阻和可变电抗器构成.可变电抗器根据补偿网络的输出电压改变其在晶体中的负载.它的工作方式类似于压控振荡器,但还采用了热敏电阻,帮助进行温度补偿.ECSInc.International提供的ECS-TXO-3225-147.4-TR晶振是温度补偿振荡器的一个实例,如图7中的图片所示.

图4:ECSInc.International的ECS-TXO-3225-147.4-TR温度补偿振荡器.

总结

有关石英晶体振荡器的话题还有很多可以探讨,远不只限于本文提及的内容.本文的基本目的是介绍适合不同应用的不同类型振荡器.虽然所有这些振荡器有相同的目标,即为设备提供时钟信号,但它们实现这个目标的方式却各不相同.