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首頁晶振最新行情 來自工程師撰寫的石英晶體振蕩器詳細(xì)解說

來自工程師撰寫的石英晶體振蕩器詳細(xì)解說

來源:http://www.robbia.com.cn 作者:泰河電子工程部 2019年07月30
  這些應(yīng)用筆記的目的是幫助客戶指定時(shí)鐘振蕩器。有關(guān)振蕩器類型的背景信息,以及一些常見的定義和有用的公式。 振蕩器產(chǎn)品系列包括時(shí)鐘振蕩器,TCXO,VCXO,VCTCXO和VCO。
  時(shí)鐘振蕩器:標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘振蕩器是最常用的振蕩器類型,幾乎應(yīng)用于電子行業(yè)的各個(gè)方面。時(shí)鐘振蕩器用于建立用于定時(shí)目的的參考頻率。典型的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)中事件的排序。
  晶體控制時(shí)鐘振蕩器通常包括放大器和反饋網(wǎng)絡(luò),選擇放大器輸出的一部分并將其返回到放大器輸入。這種電路的簡化框圖如下(圖1)所示。
 
圖1)晶體控制時(shí)鐘振蕩器的簡化框圖
  石英晶體振蕩器振蕩的基本標(biāo)準(zhǔn)是:1。開環(huán)增益必須大于振蕩器環(huán)路周圍的損耗和2.振蕩器環(huán)路周圍的相移必須為0或360度。
  振蕩器可用于生成不同類型的波形。振蕩器產(chǎn)生的最常見波形類型是正弦波和方波。
  下面列出了用于指定時(shí)鐘振蕩器的主要參數(shù)。
  邏輯TTL,HCMOS:通常,HCMOS振蕩器帶有驅(qū)動TTL電路(反之亦然)。隨著IC制造商停止供應(yīng)許多常見的TTL IC,業(yè)界正逐漸遠(yuǎn)離TTL邏輯。大多數(shù)ECS時(shí)鐘振蕩器兼容HCMOS / TTL。
  頻率穩(wěn)定性:最常見的穩(wěn)定性是25,50和100 PPM??傮w穩(wěn)定性通常包括25°C時(shí)的精度,由于工作溫度,輸入電壓,老化,沖擊和振動的變化而產(chǎn)生的影響。 ±100PPM穩(wěn)定性是最受歡迎的,因?yàn)樗阋赃\(yùn)行微處理器。電信行業(yè)一直在朝著更緊湊和更緊密的穩(wěn)定方向發(fā)展。在商業(yè)(0-70°C)應(yīng)用中不再提供超過±100PPM的穩(wěn)定性,因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)過程控制至少可以實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定性。要求50 PPM通常要貴一點(diǎn)。需要25 PPM的時(shí)鐘振蕩器會顯著影響價(jià)格。對于超過25 PPM穩(wěn)定性應(yīng)用,請咨詢工廠或考慮TCXO。
TCXO(溫度補(bǔ)償晶體振蕩器)
  通常由緊公差石英晶體,溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),振蕩器電路和由輸出要求確定的各種緩沖和/或輸出級組成。當(dāng)電容器與晶體單元串聯(lián)插入時(shí),晶體具有頻率變化的特性,如圖2所示(圖2)
 
圖2)晶體單元的負(fù)載電容特性
  利用上述特性,可以通過在振蕩外觀中插入由熱敏電阻,電阻和電容組成的溫度補(bǔ)償電路來穩(wěn)定頻率,如圖3所示。溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)用于檢測環(huán)境溫度并以降低石英晶體的頻率與溫度效應(yīng)的方式“拉”晶體頻率。
 
圖3)溫度補(bǔ)償電路
  當(dāng)總體穩(wěn)定性需求大于時(shí)鐘振蕩器時(shí),通常需要TCXO。此外,TCXO溫補(bǔ)晶振的長期老化效應(yīng)優(yōu)于大多數(shù)時(shí)鐘振蕩器。
 輸入電壓:大多數(shù)TCXO設(shè)計(jì)為在5VDC,3.3 VDC或兩者的組合下工作。
 射頻輸出:TCXO可以制造各種類型的輸出:正弦波,限幅正弦波,TTL,HCMOS和ECL。請務(wù)必指定所需的輸出類型,信號要求和振蕩器驅(qū)動的負(fù)載.TCXO還具有頻率調(diào)整功能,允許將振蕩器重新調(diào)整到其中心頻率以補(bǔ)償老化??梢酝ㄟ^以下方式提供該調(diào)整。
1)振蕩器內(nèi)的機(jī)械調(diào)整(內(nèi)部修整器)可通過機(jī)柜中的孔進(jìn)入。
2)通過外殼中的引線進(jìn)行電氣調(diào)節(jié),用于遠(yuǎn)程定位電位器或電壓。使用這種技術(shù)的振蕩器稱為溫度補(bǔ)償電壓控制晶體振蕩器或TCVCXO。
3)機(jī)械和電氣調(diào)整的組合。
  VCXO(壓控晶體振蕩器)是晶體控制的振蕩器,其中輸出頻率可通過改變振蕩器電路內(nèi)可變電容器(變?nèi)荻O管)上的外部控制電壓來調(diào)節(jié)。由控制電壓的變化引起的相關(guān)頻率變化稱為可牽引性。 VCXO廣泛用于電信,儀器儀表和其他需要穩(wěn)定但可電調(diào)諧的振蕩器的電子設(shè)備中。
變?nèi)荻O管是一種半導(dǎo)體器件,設(shè)計(jì)用于在向其施加電壓時(shí)充當(dāng)可變電容器。當(dāng)與晶體串聯(lián)使用時(shí),如圖4所示,改變控制電壓會導(dǎo)致二極管電容發(fā)生變化。電容的這種變化導(dǎo)致總晶體負(fù)載電容改變并隨后引起晶體頻率的變化。
 
圖4)典型的VCXO電路
  由于VCXO在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用日益增長,相位抖動(短期穩(wěn)定性)已成為一個(gè)重要的考慮因素。相位抖動提供了確定何時(shí)發(fā)生相變的精確方法。
 定義:以下定義將幫助您了解振蕩器性能和術(shù)語。
 標(biāo)稱頻率:晶體振蕩器的中心或標(biāo)稱輸出。
 頻率容差:在室溫下以百萬分率(PPM)表示的與標(biāo)稱頻率的偏差。 (25°C±5°C)
 頻率范圍:可提供振蕩器類型或型號的頻段。
 頻率穩(wěn)定性:與溫度窗口25°C,即0°C至+ 70°C的測量頻率相比,最大允許頻率偏差。時(shí)鐘振蕩器的典型穩(wěn)定性為±0.01%(±100PPM)。
 工作溫度:輸出頻率和其他電氣,環(huán)境特性符合規(guī)范的溫度范圍。
 老化:一段時(shí)間內(nèi)的相對頻率變化。通常,時(shí)鐘振蕩器的老化在1年內(nèi)最大為±5PPM。
 存儲溫度:安裝設(shè)備的溫度范圍,不會損壞或改變設(shè)備的性能。
 電源電壓:可以安全地施加到VCC端子的最大電壓。
 輸入電壓(VIN):可安全施加到振蕩器輸入端的最大電壓。
 輸出高電壓(VOH):在適當(dāng)負(fù)載下振蕩器輸出端的最小電壓。
 輸出低電壓(VIH):保證振蕩器輸入端觸發(fā)閾值的最大電壓。
 電源電流:流入Vcc端子的電流相對于地。通常,無負(fù)載地測量供電電流。
 占空比的對稱性:指定電平的輸出波形的對稱性(TTL為1.4 V,HCMOS為1/2 Vcc,ECL為1/2波形峰值電平)。
 上升時(shí)間(TR):在指定電平測量的波形上升時(shí)間從低到高轉(zhuǎn)換(HCMOS為20%至80%,ECL為0.4V,TTL為0.4 V至2.4 V)。
 下降時(shí)間(TF):在指定級別(HCMOS為80%至20%,ECL為2.4 V,TTL為0.4 V)測量的從高到低轉(zhuǎn)換的波形下降時(shí)間。
 負(fù)載/扇出:不同系列振蕩器可以驅(qū)動的最大負(fù)載定義為輸出負(fù)載驅(qū)動能力。每個(gè)振蕩器系列的負(fù)載驅(qū)動能力(扇出)是根據(jù)振蕩器可以驅(qū)動的門數(shù)來規(guī)定的。
 抖動(短期穩(wěn)定性):振蕩器輸出的相位或頻率調(diào)制。
 HCMOS / TTL兼容:振蕩器采用ACMOS邏輯設(shè)計(jì),具有TTL和HCMOS負(fù)載的驅(qū)動能力,同時(shí)保持HCMOS的最小邏輯高電平。
 三態(tài)使能:當(dāng)輸入保持OPEN或連接到邏輯“1”時(shí),發(fā)生正常振蕩。當(dāng)輸入接地時(shí)(連接到邏輯“0”,輸出為高阻抗?fàn)顟B(tài)。輸入有一個(gè)內(nèi)部上拉電阻,從而允許輸入保持開路。
 輸出邏輯:振蕩器的輸出設(shè)計(jì)用于滿足各種指定邏輯,例如TTL,HCMOS,ECL,正弦波,限幅正弦(DC截止)。
 諧波失真:由與目標(biāo)信號頻率相關(guān)的不需要的諧波頻譜分量引起的非線性失真。每個(gè)諧波分量是電功率與期望信號輸出電功率之比,并且以dbc表示,即-20dBc。當(dāng)需要干凈且失真較小的信號時(shí),諧波失真規(guī)范在正弦輸出中尤為重要。
 雙輸出和多輸出:能夠從單個(gè)振蕩器生成多個(gè)信號。信號可能是相關(guān)的(通常是單晶產(chǎn)生的信號的倍數(shù)或除數(shù))。
 啟動時(shí)間:振蕩器的啟動時(shí)間定義為振蕩器達(dá)到其指定RF輸出幅度所需的時(shí)間。
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