【導讀】如今大多數電子產(chǎn)品都有振蕩器，關(guān)于晶體振蕩器，其英文名稱(chēng)為quartz crystal oscillator，也就是我們經(jīng)常說(shuō)的晶振，它能夠產(chǎn)生中央處理器（CPU）執行指令所必須的時(shí)鐘頻率信號，CPU一切指令的執行都是建立在這個(gè)基礎上的，時(shí)鐘信號頻率越高，通常CPU的運行速度也就越快。
如今大多數電子產(chǎn)品都有振蕩器，關(guān)于晶體振蕩器，其英文名稱(chēng)為quartz crystal oscillator，也就是我們經(jīng)常說(shuō)的晶振，它能夠產(chǎn)生中央處理器（CPU）執行指令所必須的時(shí)鐘頻率信號，CPU一切指令的執行都是建立在這個(gè)基礎上的，時(shí)鐘信號頻率越高，通常CPU的運行速度也就越快。不論是數字電路還是射頻信號，它已經(jīng)是一個(gè)不可或缺的器件，一些模擬電路還需要時(shí)鐘或振蕩信號源。如果您使用的是微控制器，那么它可能有一個(gè)內置的時(shí)鐘，其精確程度取決于您的應用程序，所以您可能需要使用外部晶體或時(shí)鐘模塊，而不是能夠使用內部時(shí)鐘。
晶體振蕩器的作用是能夠為系統提供基礎時(shí)鐘信號。在一個(gè)系統當中，所有元件均使用同一個(gè)晶體振蕩器，以方便保持各部同步。在一部分的通訊系統當中，基頻和射頻會(huì )使用不同的晶體振蕩器，這時(shí)則會(huì )通過(guò)電子調整頻率的方法保持同步。
它們的類(lèi)型現在多種多樣，適用于各種領(lǐng)域：
數字振蕩器
數字振蕩器的電路實(shí)際上是一個(gè)模擬振蕩器。有些振蕩器會(huì )產(chǎn)生“削峰正弦波”輸出，因此很難決定把它們放在數字振蕩器還是模擬振蕩器。數字振蕩器比簡(jiǎn)單地產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號要復雜得多，它可以產(chǎn)生幾個(gè)相移確定的信號，或者包含一個(gè)頻率合成器，從一個(gè)固定頻率輸入時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)替代頻率。以IDT的時(shí)鐘發(fā)生器芯片為例。
最早的“數字”振蕩器是1923年George W. Pierce發(fā)明的皮爾斯振蕩器。
在很長(cháng)一段時(shí)間里它被用做微處理器時(shí)鐘生成。當你有一個(gè)微控制器，需要一個(gè)晶體和兩個(gè)外部電容來(lái)產(chǎn)生它自己的時(shí)鐘時(shí)，你可以用一個(gè)內部的逆變器和電阻做一個(gè)皮爾斯振蕩器。
選擇振蕩器模塊或時(shí)鐘生成器意味著(zhù)您需要了解可用的選擇，并指定您的需求。
輸出定義
輸出可以是方波或截斷正弦波(對于數字系統很少是真正的正弦波)。你需要知道所需的電壓級別，例如5V TTL或CMOS級別，3.3V或更低的CMOS級別。一些振蕩器有低壓差分信號輸出(LVDS)。對稱(chēng)也很重要，所以高相位和低相位要相等。此外，還要考慮的其它參數，如輸出類(lèi)型、相位噪聲、抖動(dòng)、電壓特性、負載特性、功耗、封裝形式,對于工業(yè)產(chǎn)品,有時(shí)還要考慮沖擊和振動(dòng)、以及電磁干擾。
精度和穩定性
此外，您需要知道準確性和穩定性。例如，用陶瓷諧振器，初始公差在0.2%左右，有時(shí)候會(huì )比這個(gè)差。雖然0.2%聽(tīng)起來(lái)不算太糟，但它是2000ppm(百萬(wàn)分之一)。石英晶體振蕩器將比這好10倍。同樣，石英振蕩器比陶瓷諧振器具有更好的穩定性。穩定性可以定義為溫度、負載或供應的穩定性-所有這些都會(huì )影響頻率。
TCXO（溫控振蕩器）是一種溫度補償晶體振蕩器或溫度控制晶體振蕩器(單詞Crystal通?？s寫(xiě)為Xtal所以X被用作“Crystal”的縮寫(xiě))。它們的耐受性和穩定性大于1ppm。這種準確性對于頻率要求非常精確的射頻系統非常重要。高精度TCXO，主要用于網(wǎng)絡(luò )基礎設施，實(shí)現了與OCXO同等的頻率精度。其中在精密TCXO的研究開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)方面，日本居領(lǐng)先和主宰地位。在70年代末汽車(chē)電話(huà)用TCXO的體積達20 以上，目前的主流產(chǎn)品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27。
TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類(lèi)型：
（1）直接補償型 直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振蕩器中與石英晶體諧振器振子串聯(lián)而成的。在溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯(lián)電容容值相應變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡(jiǎn)單，成本較低，節省印制電路板（PCB）尺寸和空間，適用于小型和低壓小電流場(chǎng)合。但當要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時(shí)，直接補償方式并不適宜。
（2）間接補償型 間接補償型又分模擬式和數字式兩種類(lèi)型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度－電壓變換電路，并將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變容二極管上，通過(guò)晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對晶體振子的非線(xiàn)性頻率漂移進(jìn)行補償。該補償方式能實(shí)現±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。
VCXO (壓控晶體振蕩器)是一種電壓控制的晶體振蕩器，具有很高的穩定性。其振蕩頻率由晶體決定，但可用控制電壓在小范圍內對頻率進(jìn)行調整，控制電壓范圍一般為0V至2V或0V至3V，VCXO的調諧范圍為±100ppm至±200ppm。VCXO時(shí)鐘(CLK)發(fā)生器已在多種系統中得到應用，如數字電視，數字音頻，ADSL和STB。
OCXO 恒溫控制晶體振蕩器。這些振蕩器在烘箱或雙烘箱中，電路和晶體被加熱到恒定溫度。一旦預熱，它們就非常精確和穩定。由于需要加熱器，它們確實(shí)需要相當多的電力。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關(guān)重要元器件置于恒溫槽中，還有的將石英晶體振子置于內部的恒溫槽中，而將振蕩電路置于外部的恒溫槽中進(jìn)行溫度補償，實(shí)行雙重恒溫槽控制法。利用比例控制的恒溫槽能把晶體的溫度穩定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移動(dòng)通信基地站、國防、導航、頻率計數器、頻譜和網(wǎng)絡(luò )分析儀等設備、儀表中。
VCXO（電壓控制式晶體振蕩器）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級,頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。VCXO廣泛應用于軍用電子儀器，5G基建，無(wú)線(xiàn)通信信號塔，精密儀表，智能監控等。
晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內的穩定性,它是決定振蕩器價(jià)格的重要因素。穩定性愈高或溫度范圍愈寬,器件的價(jià)格亦愈高。此外，晶體老化也是造成頻率變化的又一重要因素。根據目標產(chǎn)品的預期壽命不同,有多種方法可以減弱這種影響。晶體老化會(huì )使輸出頻率按照對數曲線(xiàn)發(fā)生變化,也就是說(shuō)在產(chǎn)品使用的第一年,這種現象才最為顯著(zhù)。例如,使用10年以上的晶體,其老化速度大約是第一年的3倍。采用特殊的晶體加工工藝可以改善這種情況,也可以采用調節的辦法解決,比如,可以在控制引腳上施加電壓（即增加電壓控制功能）等。
模擬振蕩器
對于一個(gè)模擬振蕩器，你更有可能尋找一個(gè)正弦波。在晶體管出現之前就有各種各樣的“標準”模擬振蕩器設計。比如Hartley, Colpitts和Clapp。它們已被用作正弦波振蕩器，使用電感和電容作為頻率決定元件，也與石英晶體一起使用。當與電感/電容一起使用時(shí)，它們也可以用作可變頻率振蕩器。其他的振蕩器，如維恩電橋（Wien bridge），使用電阻和電容來(lái)確定頻率，但通常被限制在比電感/電容或晶體振蕩器更低的頻率。
例如，這是一個(gè)10MHz Clapp振蕩器，其輸出來(lái)自晶體管Q1。
對于所有的振子，它們需要時(shí)間來(lái)啟動(dòng)。對于晶體振蕩器等高Q振蕩器，這是相當重要的，因為啟動(dòng)時(shí)間(以時(shí)鐘周期數衡量)與電路的Q成比例。這可能導致在任何事情似乎發(fā)生之前會(huì )有一定延遲，也可能導致最初的頻率不正確。例如，啟動(dòng)一個(gè)50MHz LC振蕩器需要大約800個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)啟動(dòng):
雖然一開(kāi)始看起來(lái)什么都沒(méi)有發(fā)生，但如果你放大最初部分，你會(huì )發(fā)現有些事情確實(shí)發(fā)生了。根據諧振電路Q(chēng)值，相位需要很多周期來(lái)調整振蕩條件以滿(mǎn)足振蕩條件。然后，它們似乎會(huì )突然都活躍了起來(lái)。
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