【導(dǎo)讀】如今大多數(shù)電子產(chǎn)品都有振蕩器，關(guān)于晶體振蕩器，其英文名稱為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(zhí)行指令所必須的時(shí)鐘頻率信號(hào)，CPU一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，通常CPU的運(yùn)行速度也就越快。
如今大多數(shù)電子產(chǎn)品都有振蕩器，關(guān)于晶體振蕩器，其英文名稱為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(zhí)行指令所必須的時(shí)鐘頻率信號(hào)，CPU一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，通常CPU的運(yùn)行速度也就越快。不論是數(shù)字電路還是射頻信號(hào)，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(hào)源。如果您使用的是微控制器，那么它可能有一個(gè)內(nèi)置的時(shí)鐘，其精確程度取決于您的應(yīng)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(nèi)部時(shí)鐘。
晶體振蕩器的作用是能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供基礎(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)。在一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)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(tǒng)當(dāng)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(diào)整頻率的方法保持同步。
它們的類型現(xiàn)在多種多樣，適用于各種領(lǐng)域：
數(shù)字振蕩器
數(shù)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(shù)字振蕩器還是模擬振蕩器。數(shù)字振蕩器比簡(jiǎn)單地產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)要復(fù)雜得多，它可以產(chǎn)生幾個(gè)相移確定的信號(hào)，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(shù)字”振蕩器是1923年George W. Pierce發(fā)明的皮爾斯振蕩器。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間里它被用做微處理器時(shí)鐘生成。當(dāng)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(nèi)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?cái)嗾也?對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)很少是真正的正弦波)。你需要知道所需的電壓級(jí)別，例如5V TTL或CMOS級(jí)別，3.3V或更低的CMOS級(jí)別。一些振蕩器有低壓差分信號(hào)輸出(LVDS)。對(duì)稱也很重要，所以高相位和低相位要相等。此外，還要考慮的其它參數(shù)，如輸出類型、相位噪聲、抖動(dòng)、電壓特性、負(fù)載特性、功耗、封裝形式,對(duì)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(wěn)定性
此外，您需要知道準(zhǔn)確性和穩(wěn)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(wěn)定性。穩(wěn)定性可以定義為溫度、負(fù)載或供應(yīng)的穩(wěn)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(bǔ)償晶體振蕩器或溫度控制晶體振蕩器(單詞Crystal通常縮寫為Xtal所以X被用作“Crystal”的縮寫)。它們的耐受性和穩(wěn)定性大于1ppm。這種準(zhǔn)確性對(duì)于頻率要求非常精確的射頻系統(tǒng)非常重要。高精度TCXO，主要用于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)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年代末汽車電話用TCXO的體積達(dá)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(duì)石英晶體振子頻率溫度漂移的補(bǔ)償方法主要有直接補(bǔ)償和間接補(bǔ)償兩種類型：
（1）直接補(bǔ)償型 直接補(bǔ)償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補(bǔ)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(yīng)變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補(bǔ)償方式電路簡(jiǎn)單，成本較低，節(jié)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(dāng)要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時(shí)，直接補(bǔ)償方式并不適宜。
（2）間接補(bǔ)償型 間接補(bǔ)償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類型。模擬式間接溫度補(bǔ)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?nèi)荻O管上，通過(guò)晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對(duì)晶體振子的非線性頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。該補(bǔ)償方式能實(shí)現(xiàn)±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(wěn)定性。其振蕩頻率由晶體決定，但可用控制電壓在小范圍內(nèi)對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整，控制電壓范圍一般為0V至2V或0V至3V，VCXO的調(diào)諧范圍為±100ppm至±200ppm。VCXO時(shí)鐘(CLK)發(fā)生器已在多種系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如數(shù)字電視，數(shù)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(yù)熱，它們就非常精確和穩(wěn)定。由于需要加熱器，它們確實(shí)需要相當(dāng)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(nèi)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(bǔ)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(wěn)定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩(wěn)定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移動(dòng)通信基地站、國(guó)防、導(dǎo)航、頻率計(jì)數(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)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(jí),頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。VCXO廣泛應(yīng)用于軍用電子儀器，5G基建，無(wú)線通信信號(hào)塔，精密儀表，智能監(jiān)控等。
晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性,它是決定振蕩器價(jià)格的重要因素。穩(wěn)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(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的預(yù)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(duì)數(shù)曲線發(fā)生變化,也就是說(shuō)在產(chǎn)品使用的第一年,這種現(xiàn)象才最為顯著。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(diào)節(jié)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(duì)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(xiàn)之前就有各種各樣的“標(biāo)準(zhǔn)”模擬振蕩器設(shè)計(jì)。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(dāng)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(duì)于所有的振子，它們需要時(shí)間來(lái)啟動(dòng)。對(duì)于晶體振蕩器等高Q振蕩器，這是相當(dāng)重要的，因?yàn)閱?dòng)時(shí)間(以時(shí)鐘周期數(shù)衡量)與電路的Q成比例。這可能導(dǎo)致在任何事情似乎發(fā)生之前會(huì)有一定延遲，也可能導(dǎo)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(xiàn)有些事情確實(shí)發(fā)生了。根據(jù)諧振電路Q值，相位需要很多周期來(lái)調(diào)整振蕩條件以滿足振蕩條件。然后，它們似乎會(huì)突然都活躍了起來(lái)。
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