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晶振的基本性能及应用注意事项
来源:网络整理; (2023/6/6 14:26:48)
晶体振荡器,简称晶振,是数字电路的心脏。单片机系统中时钟就必不可少。故而晶振几乎在所有的应用电路中都不可或缺的存在着,广泛用于汽车电子、智能家居、数码电子、安防设备、通讯设备等不同领域。
如图一所示,晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振,较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
石英晶体振荡器
以“石英晶体振荡器”为例,石英晶体振荡器有两个谐振频率,一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振:另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以,标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至,不能冒然互换,否则会造成电器工作不正常。
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫oscillator(振荡器)。HKC的Clock Oscillator产品覆盖了车规级和工业级,输出有LVPECL和CMOS两种,既有KHZ产品,也有MHZ产品。
无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来。有源晶振是一个完整的谐振振荡器。
谐振振荡器分类方法多种多样:
按制作材料分类:可分为石英晶振和陶瓷晶振。
按应用特性分类:可分为串联谐振型晶振和并联谐振型晶振。
按负载按驱动电路分类:可分为晶振谐振器(加驱动电路产生频率信号)和晶振振荡器(加只加电压就产生频率信号)
按电容特性分类:可分为低负载电容型晶振和高负载电容型晶振。按封装形式分类:可分为玻璃真空密封型晶振、金属壳封装型晶振、陶瓷封装型及塑料壳装型晶振。
按谐振频率精度分类:可分为高精度型晶振、中精度型晶振及普通型晶振。
按晶振工作频率分类:可分为KHZ 晶振与MHZ晶振。KHZ一般为32.768KHZ的晶振,多为贴片式封装,不过也有例外。比如相关HKC的KHZ晶振便有插件封装的28-80KHZ,28-100KHZ晶振。在HKC旗下,MHZ的晶振则更细分为Ceramic SMD Crystal、Glass Frit SMD Crystal、Hybrid SMD Crystal、Metal Can Crystal,对应于工业级与车规级应用,更细致。
除去以上的分类方式,还有一种较为细致的分类。IEC将石英晶体振荡器分为4类,按晶振的功能和实现技术分类:普通晶体振荡(TCXO),压控制式晶体振荡器(VCXO),温度补偿式晶体振荡(TCXO),恒温控制式晶体振荡(OCXO)。
普通晶体振荡器(SPXO)可产生10^(-5)~10^(-4)量级的频率精度,标准频率1—100MHZ,频率稳定度是±100ppm。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施,价格低廉,通常用作微处理器的时钟器件。
压控制式晶体振荡器(VCXO)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。
温度补偿式晶体振荡器(TCXO)采用温度敏感器件进行温度频率补偿,频率精度达到10^(-7)~10^(-6)量级,频率范围1—60MHz,频率稳定度为±1~±2.5ppm,主要应用于领域和使用环境恶劣的场合。
恒温控制式晶体振荡器(OCXO)将晶体和振荡电路置于恒温箱中,以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10^(-10)至10^(-8)量级,对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中。短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大。主要用于各种类型的通信设备,手机、PS接收机、电台、数字电视及设备等领。
HKC在高保持精度 GNSS 同步时钟方面颇有建树,如图三所示比如基于TCXO类型有多种设计,发展了KStar 50M-GNSS —— GNSS驯服振荡器模组(TCXO参考源),模块式设计内置GNSS多系统接收模块,锁定模式下,频率准确度 ≤ ±1E-12,提供可编程频率源输出,可应用于系统主板。
再如KStar 100 —— GNSS 驯服振荡器(一体化设计的频率源及时间标准),内置GNSS多系统接收模块及高稳OCXO,锁定模式下,频率准确度 ≤ ±1E-1
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