关于晶振及其典型应用的探讨.doc

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1、关于晶振及其典型应用的探讨一、晶振介绍石英晶振是石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称,它是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件，可分无源晶振和有源晶振两种类型。（1）无源晶振为Crystal（晶体）。其必须借助外部的冇源激励和振荡电路才能起振，振荡频率主要取决于晶体的切割方式,外部振荡电路也部分影响肴振荡频率的精度。振荡电路屮包含两个Trim电容，市丁•电容的精度一般比较低，因此即便是完全相同的电路图，振荡频率的频偏也可能存在一定的并别。（2）有源晶振Oscollator（振荡器）它是将振荡电路和晶体集成在一个封装内，加电即可输出时钟信号，频率

2、精度较高，价格也略高。常用的晶振的技术指标如下：（1）基准频率：晶振在完全理想条件下的振荡频率。（2）工作电压：晶振的工作需要外部提供一定的电源电压，晶振输出的时钟信号上的噪声与电源再说紧密相关，因此在晶振器件资料上，对电源的质量有一定的要求。（3）输出电平：晶振与晶体相比，最为突出的一点就是只要上电，就直接输出时钟信号。时钟信号的电平也多种多样，支持的电平主要包括：TTL、CMOS、HCMOS、LVCOMS、LVPECL、LVDS等。在选型屮，应根据所需时钟电平的种类选择相应的晶振。（4）工作温度范围：根据环境温度要求的不同，应选择对应的工作温度

3、范围。（5）频率精度:对应不同的工作温度范囤，可选择不同的频率精度。以±15ppm@・20~70°C为例，其含义是，在-20-70°C温度范围内，该晶振输出频率相对基准频率的偏差不会超过15ppm。该参数是晶振的重要参数，包含了由于温度变化、电源电压波动、负载变化等因素引起的频率偏差。（6）老化度：在恒定的外接条件下测量晶振频率，频率精度与时间Z间的关系。（7）启动时间：从上电到晶振输出频率的偏羌达到规定的频率精度所需要的时间。（8）时钟抖动（Jitter）：在后面内容详细介绍。（9）相位噪声：在示面内容详细介绍。有源晶振的类型包括以下几类：（1）

4、普通封装晶体振荡器（SPXO）它无温度补偿功能，也无电圧控制功能,其频率特性完全取决于晶体以及外部振荡电路。标准频率为l^lOOMHz,频率精度最高可达±10ppm。由于SPXO不包含任何频率补偿功能，因此是晶振屮精度最茅的一个种类，价格低廉，通常作为微处理器的时钟器件。在PCB布局时，SPXO器件应远离发热源。（2）压控式晶体振荡器（VCXO）VCXO是通过外部施加控制电压时振荡频率可调的晶体振荡器。它的特点：输出频率可以通过输入电压控制，一般控制范I韦【为土50~±200ppm。工作原理：通过改变外加调務电压的大小，能改变容性负载CL的值，从而

5、实现频率的调整。市于VCXO的具有振荡频率可调整的特点，所以用频率一温度稳定度来定义环境温度变化对频偏的影响。由于VCXO不具备温度补偿功能，因此在PCB布局时，VCXO器件应远离发热源。VCXO除了电源电源外，还需要控制电压，以调整输出频率，当控制电压调整为中央电压时，VCXO输出标称的基准频率。VCXO常用在锁相环电路屮。（3）温度补偿晶体振荡器（TCXO）TCXO是利用附件的温度补偿电路以减少环境温度对振荡频率的影响，其特点是频率精度远远高于SPXO和VCXO。工作原理：利用热敏电阻的温度敏感性，当温度变化时，热敏电阻的阻值和容性负载同时发左

6、变化，而容性负载的变化会改变振荡频率，从而实现对振荡频率的修正。（4）恒温晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱屮，以消除环境温度变化对频率的煤响。频率精度为10皿10%量级。频率稳定度在四种类型振荡器屮最高。不同的特性决定了四种类犁晶振的应用场合：如果需要设备即开即用，需选用SPXO、VCXO和TCXOoOCXO晶振需要一定的稳定时间。如果要求时钟信号较高的稳定度，推荐使用TXCO和OCXO。二、两个重要概念：时钟抖动与相位噪声。数字信号的备个有效边沿相对于其理想位置都存在一•定的偏离，对于其中的短期性偏离（频率在10Hz以上的偏离），

7、使丿IJ时钟抖动和相位噪声参数来定义；对于其中的长期性偏离（频率在10Hz以内的偏离）,使用漂移来定义。其中漂移容易被CDR（ClockDataRecovery,时钟数据恢父电路）等模块滤除。时钟信号的质量通常用抖动和相位噪声来描述。时钟抖动和相位噪声的区别在于：抖动是时域的概念；相位噪声是频域的概念。时钟抖动通常分为时间间隔误差（TimeIntervalError,简称TIE）、周期抖动和相邻周期抖动。以下重点讨论周期抖动和相位噪声的关系。1、时钟抖动周期抖动（Jper）是实测周期与理想周期Z问的时间差。由于具有随机分布的特点，可以用峰■峰值或均

8、方根（RMS）描述。首先定义门限Vth的时钟上升沿位于时域的TPER（n）,其屮n是一个时域系统，如图1所示。Jper表示