2021年03月01日 | 关于振荡器挑选的门道

今天的大多数电子产品都有振荡器，关于晶体振荡器，其英文名称为quartz crystal oscillator，也就是我们经常说的晶振，它能够产生中央处理器（CPU）执行指令所必须的时钟频率信号，CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的，时钟信号频率越高，通常CPU的运行速度也就越快。不论是数字电路还是射频信号，它已经是一个不可或缺的器件，一些模拟电路还需要时钟或振荡信号源。如果您使用的是微控制器，那么它可能有一个内置的时钟，其精确程度取决于您的应用程序，所以您可能需要使用外部晶体或时钟模块，而不是能够使用内部时钟。

晶体振荡器的作用是能够为系统提供基础时钟信号。在一个系统当中，所有元件均使用同一个晶体振荡器，以方便保持各部同步。在一部分的通讯系统当中，基频和射频会使用不同的晶体振荡器，这时则会通过电子调整频率的方法保持同步。

它们的类型现在多种多样，适用于各种领域：

数字振荡器

数字振荡器的电路实际上是一个模拟振荡器。有些振荡器会产生“削峰正弦波”输出，因此很难决定把它们放在数字振荡器还是模拟振荡器。数字振荡器比简单地产生一个时钟信号要复杂得多，它可以产生几个相移确定的信号，或者包含一个频率合成器，从一个固定频率输入时钟产生一个或多个替代频率。以IDT的时钟发生器芯片为例。

最早的“数字”振荡器是1923年George W. Pierce发明的皮尔斯振荡器。

在很长一段时间里它被用做微处理器时钟生成。当你有一个微控制器，需要一个晶体和两个外部电容来产生它自己的时钟时，你可以用一个内部的逆变器和电阻做一个皮尔斯振荡器。

选择振荡器模块或时钟生成器意味着您需要了解可用的选择，并指定您的需求。

输出定义

输出可以是方波或截断正弦波(对于数字系统很少是真正的正弦波)。你需要知道所需的电压级别，例如5V TTL或CMOS级别，3.3V或更低的CMOS级别。一些振荡器有低压差分信号输出(LVDS)。对称也很重要，所以高相位和低相位要相等。此外，还要考虑的其它参数，如输出类型、相位噪声、抖动、电压特性、负载特性、功耗、封装形式,对于工业产品,有时还要考虑冲击和振动、以及电磁干扰。

精度和稳定性

此外，您需要知道准确性和稳定性。例如，用陶瓷谐振器，初始公差在0.2%左右，有时候会比这个差。虽然0.2%听起来不算太糟，但它是2000ppm(百万分之一)。石英晶体振荡器将比这好10倍。同样，石英振荡器比陶瓷谐振器具有更好的稳定性。稳定性可以定义为温度、负载或供应的稳定性-所有这些都会影响频率。

TCXO（温控振荡器）是一种温度补偿晶体振荡器或温度控制晶体振荡器(单词Crystal通常缩写为Xtal所以X被用作“Crystal”的缩写)。它们的耐受性和稳定性大于1ppm。这种准确性对于频率要求非常精确的射频系统非常重要。高精度TCXO，主要用于网络基础设施，实现了与OCXO同等的频率精度。其中在精密TCXO的研究开发与生产方面，日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20 以上，目前的主流产品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件体积仅为0.27。

TCXO中，对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型：

（1）直接补偿型 直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体谐振器振子串联而成的。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板（PCB）尺寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时，直接补偿方式并不适宜。

（2）间接补偿型 间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度－电压变换电路，并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低电压情况下受到限制。

VCXO (压控晶体振荡器)是一种电压控制的晶体振荡器，具有很高的稳定性。其振荡频率由晶体决定，但可用控制电压在小范围内对频率进行调整，控制电压范围一般为0V至2V或0V至3V，VCXO的调谐范围为±100ppm至±200ppm。VCXO时钟(CLK)发生器已在多种系统中得到应用，如数字电视，数字音频，ADSL和STB。

OCXO 恒温控制晶体振荡器。这些振荡器在烘箱或双烘箱中，电路和晶体被加热到恒定温度。一旦预热，它们就非常精确和稳定。由于需要加热器，它们确实需要相当多的电力。在OCXO中，有的只将石英晶体振子置于恒温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。

VCXO（电压控制式晶体振荡器）的精度是10^(-6)～10^(-5)量级,频率范围1~30MHz。低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸14×10×3mm。VCXO广泛应用于军用电子仪器，5G基建，无线通信信号塔，精密仪表，智能监控等。

晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性,它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽,器件的价格亦愈高。此外，晶体老化也是造成频率变化的又一重要因素。根据目标产品的预期寿命不同,有多种方法可以减弱这种影响。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化,也就是说在产品使用的第一年,这种现象才最为显著。例如,使用10年以上的晶体,其老化速度大约是第一年的3倍。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况,也可以采用调节的办法解决,比如,可以在控制引脚上施加电压（即增加电压控制功能）等。

模拟振荡器

对于一个模拟振荡器，你更有可能寻找一个正弦波。在晶体管出现之前就有各种各样的“标准”模拟振荡器设计。比如Hartley, Colpitts和Clapp。它们已被用作正弦波振荡器，使用电感和电容作为频率决定元件，也与石英晶体一起使用。当与电感/电容一起使用时，它们也可以用作可变频率振荡器。其他的振荡器，如维恩电桥（Wien bridge），使用电阻和电容来确定频率，但通常被限制在比电感/电容或晶体振荡器更低的频率。

例如，这是一个10MHz Clapp振荡器，其输出来自晶体管Q1。

对于所有的振子，它们需要时间来启动。对于晶体振荡器等高Q振荡器，这是相当重要的，因为启动时间(以时钟周期数衡量)与电路的Q成比例。这可能导致在任何事情似乎发生之前会有一定延迟，也可能导致最初的频率不正确。例如，启动一个50MHz LC振荡器需要大约800个时钟周期来启动:

虽然一开始看起来什么都没有发生，但如果你放大最初部分，你会发现有些事情确实发生了。根据谐振电路Q值，相位需要很多周期来调整振荡条件以满足振荡条件。然后，它们似乎会突然都活跃了起来。