晶振作為時(shí)鐘電路中最重要的部件，在電路中起著產(chǎn)生震蕩頻率的作用，可以產(chǎn)生高度穩(wěn)定的信號(hào)，并穩(wěn)定工作環(huán)境，為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)，在工業(yè)、科技、車載、數(shù)碼、電子等多個(gè)領(lǐng)域幾乎都有應(yīng)用場景。
今天，我們就來一起學(xué)習(xí)下晶振的相關(guān)知識(shí)。
名詞定義
晶振全稱為晶體振蕩器，由石英晶體經(jīng)過加工并鍍上電極制成，本質(zhì)上是一個(gè)使用壓電效應(yīng)的電子振蕩器電路，利用壓電材料的振動(dòng)晶體的機(jī)械共振來產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號(hào)。晶振的特性是通電后產(chǎn)生機(jī)械震蕩，可以給單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源，提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)運(yùn)行速度越快。晶振在共振的狀態(tài)下工作，可以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。
晶振類型
按制作材料分類：可分為石英晶振和陶瓷晶振。
按應(yīng)用特性分類：可分為串聯(lián)諧振型晶振和并聯(lián)諧振型晶振。
按負(fù)載電容特性分類：可分為低負(fù)載電容型晶振和高負(fù)載電容型晶振。
按晶振的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)分類：可以將晶振分為溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）、壓控晶體振蕩器（VCXO）、普通晶體振蕩器（SPXO）、恒溫晶體振蕩器（OCXO）。
按封裝形式分類：可分為玻璃真空密封型晶振、金屬殼封裝型晶振、陶瓷封裝型及塑料殼封裝型晶振。
按外形分類：可分為長方形晶振、圓柱形晶振、橢圓形晶振。
按諧振頻率精度分類：可分為高精度型晶振、中精度型晶振及普通型晶振。
根據(jù)晶振的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，可以將晶振分為以下四類：
1）恒溫晶體振蕩器（OCXO）
OCXO晶振對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術(shù)，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設(shè)備，包括交換機(jī)、SDH傳輸設(shè)備、移動(dòng)通信直放機(jī)、GPS接收機(jī)、電臺(tái)、數(shù)字電視及軍工設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)用戶需要，該類型晶振可以帶壓控引腳。
OCXO的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于采用了恒溫槽技術(shù)，頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的，由于電路設(shè)計(jì)精密，其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時(shí)間才能正常工作等。
2）溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）
TCXO對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補(bǔ)償手段，主要原理是通過感應(yīng)環(huán)境溫度，將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償，隨著補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，很多數(shù)字化補(bǔ)償大TCXO開始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補(bǔ)償?shù)腡CXO又叫DTCXO，用單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)稱之為MCXO，由于采用了數(shù)字化技術(shù)，這一類型的晶振再溫度特性上達(dá)到了很高的精度，并且能夠適應(yīng)更寬的工作溫度范圍，主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場合。
3）普通晶體振蕩器（SPXO）
SPXO是一種簡單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補(bǔ)償”和“AGC”部分，完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場合。
4）壓控晶體振蕩器（VCXO）
壓控晶體振蕩器（VCXO）是通過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是可以調(diào)制的石英晶體振蕩器。VCXO是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來分類，帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO，以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。
OCXO參數(shù)
OCXO晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率、頻率精度、頻率穩(wěn)定度、頻率老化、功耗、工作溫度等。
(1)尺寸(Dimension) : 晶振的外形大小，區(qū)分SMD和THT兩種安裝形式；
(2)標(biāo)稱頻率(MHz): 這是最振輸出的基準(zhǔn)頻率，也稱頻點(diǎn)。如果該頻點(diǎn)與應(yīng)用不符合，用戶可向晶振廠家訂制專門的頻點(diǎn)；
(3)電源電壓(VCC) : 晶振工作必須的電壓，一般為3.3V/5V/12V；
(4)工作溫度(Operating temp.range): 振蕩器能正常工作。其頻率及其他性能均不超過規(guī)定的允許偏差的溫度范圍；
(5)頻率精度 (frequency tolerance) : 這是按規(guī)定條件，在+25°C基準(zhǔn)溫度下測試，晶體振蕩器的頻率相對(duì)于其標(biāo)稱值的最大允許偏差，即 (f-fo) /f0，單位為ppm；
(6)頻率穩(wěn)定度(Frequency stability) : 也稱溫漂，指輸出頻率相對(duì)于溫度的漂移。按規(guī)定條件要求，在規(guī)定溫度范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對(duì)于溫度范圍內(nèi)輸出頻率極值之和的允許頻偏值，即+ (fmax-fmin) / (fmax+fmin) ，單位為ppm；
(7)輸出功率(Output Power) : 加規(guī)定電壓和規(guī)定負(fù)載下，振蕩器消耗的電能，用電壓和省耗電流的積表示，單位為dBm；
(8)輸出電壓(正弦波) : 施加規(guī)定的電壓和負(fù)載，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定后，用RF表測得的有效值或用示波器測量電壓峰-峰值后換算的有效值；
(9)諧波失真: 用不希望的信號(hào)頻諧分量和有用信號(hào)頻率的諧波關(guān)系描述的非線形失真；
(10)穩(wěn)定時(shí)間(settle time): 在+25C下，以通上電源60分鐘后的頻率為基準(zhǔn)來調(diào)整頻率偏差至指定偏差以內(nèi)所需的時(shí)間；
(11)相位噪聲 (Phase Noise) : 是指信號(hào)功率和噪聲功率的比率(C/N)，是表征頻率顫料的技術(shù)指標(biāo)。在對(duì)預(yù)期信號(hào)既定補(bǔ)償處，以1Hz帶寬為單位來測量相位噪聲；
(12)年老化率(Aging/year) : 晶體振蕩器輸出頻率隨時(shí)間的變化，通常用一年為單位的頻率來量度，單位為ppm。
應(yīng)用領(lǐng)域
移動(dòng)電子設(shè)備：智能手機(jī)、ipad、移動(dòng)pos機(jī)、筆記本電腦、照相機(jī)、攝像機(jī)、耳機(jī)、音響等。
醫(yī)療設(shè)備：x射線診斷設(shè)備、超聲診斷設(shè)備、功能檢查設(shè)備、內(nèi)窺鏡檢查設(shè)備、核醫(yī)學(xué)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)診斷設(shè)備及病理診斷裝備等。
通訊網(wǎng)絡(luò)：通信網(wǎng)絡(luò)通常分有線和無線通信。有線通信涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域包括：光輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、連接功能等。無線網(wǎng)絡(luò)涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域通包括基帶、連接口、無線電等。 OCXO主要用途為通信基站、智能電網(wǎng)、測試及量測設(shè)備，以及雷達(dá)、制導(dǎo)等軍事和宇航等領(lǐng)域，并不斷向小型化、高精度、高可靠、低功耗技術(shù)方向發(fā)展。封裝上，OCXO由傳統(tǒng)的裸金屬外殼夏塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變，這大大縮小了器件體積。在高精度和高穩(wěn)定度上，一些廠家已經(jīng)采用雙層恒溫設(shè)計(jì)，開發(fā)出雙層恒溫石英振蕩器(DOCXO)。對(duì)于一些更高精度的導(dǎo)航應(yīng)用，引入GPS馴服信號(hào)的馴服晶振(GPSDO) 具有優(yōu)良的短、中、長期信號(hào)穩(wěn)定度，性能可與原子鐘媲美，并有可能取代細(xì)分市場中的OCXO應(yīng)用。
晶振作用
1.為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。
2.晶振與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。
切割工藝
切割工藝，就是對(duì)晶體坐標(biāo)軸某種角度去切割。切型有非常多的種類，因?yàn)槭⑹歉飨虍愋缘模圆煌那行推湮锢硇再|(zhì)不同，切面的方向與主軸的夾角對(duì)其性能有非常重要的影響，比如: 頻率穩(wěn)定性，Q值，溫度性能等。
常見的切割類型有兩種，AT和BT切。
同種種頻率的晶振，AT切比BT切的溫度系數(shù)要小，切片厚度要薄，但是Q值比BT切要低。
晶振測試
1）示波器檢測法
晶振在激發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生正弦波，如果在時(shí)鐘引腳上查看代表正弦波的波形是合適的。測試注意如下：
1.將晶振一端連接到示波器表筆探頭，鱷魚夾就近接地進(jìn)行測量。為了更好的信號(hào)保證度，可以使用接地彈簧；
2.探頭的輸入電容比最振的負(fù)載電容要大，當(dāng)使用不恰當(dāng)?shù)奶筋^進(jìn)行測量時(shí)可能會(huì)引起晶振停振。測量晶振時(shí)需要將探頭擋位調(diào)為X10檔，減少探頭輸入電容。下圖是是德科技一些無源探頭的規(guī)格參數(shù)，如果有條件可以使用有源探頭，有源探頭通常輸入電容能達(dá)到2pF以下；
3. 要顯示完美的方波，至少需要5倍的帶寬，比如需要測試60MHZ頻率的方波晶振，需要使用300MH2帶寬的示波器。同時(shí)示波器探頭也要滿足帶寬要求；
4. 一般示波器是基于周期測量結(jié)果反算頻率，測量誤差較大。最好選用內(nèi)置頻率計(jì)功能的示波器；
2）頻率計(jì)數(shù)器檢測法
在設(shè)備電源“打開”時(shí)進(jìn)行測量。將儀表或頻率計(jì)數(shù)器的探頭放在晶振引腳上并讀取測量確保使用的頻率計(jì)數(shù)器表的范圍高于正在檢查的晶振頻率；
3）頻譜儀測試晶振
頻譜儀可以測量晶振的頻偏，連接好儀器后可以查看中心頻率點(diǎn)即晶振的頻率，如下圖所示:
4）測試電路檢測法
顯示器件能夠顯示字符和符號(hào)，在電子設(shè)備中的應(yīng)用日益廣泛。LED (發(fā)光二極管)數(shù)碼管和液晶顯示屏是應(yīng)用最普遍的顯示器件；
通常，將晶振放置在晶體管的反饋網(wǎng)絡(luò)中。如果振蕩并且LED亮起，這意味著晶振正在運(yùn)行。如果晶振不工作，LED將熄滅。
——作者 君鑒科技/楊洋
——來源 每日E問eteforum
