當(dāng)選擇晶體振蕩器時(shí)，必須針對(duì)輸出頻率、頻率穩(wěn)定度和溫度范圍、輸出電壓和功率、輸出波形，以及封裝尺寸和外形等各種因進(jìn)行全盤(pán)考慮…

在設(shè)計(jì)中，大多數(shù)的電子系統(tǒng)需要某種振蕩器作為關(guān)鍵功能區(qū)塊。一些典型的用途包括：作為時(shí)脈，用于同步操作的數(shù)位系統(tǒng)中;用于接收器或發(fā)射器的穩(wěn)定RF訊號(hào);用于精確測(cè)量的準(zhǔn)確頻率參考;或用于精確計(jì)時(shí)的即時(shí)時(shí)脈。系統(tǒng)規(guī)格以及振蕩器必須如何發(fā)揮作用，將決定晶體振蕩器的大多數(shù)參數(shù)。

振蕩器中的關(guān)鍵元件是諧振器，它將控制頻率，以及確定所能實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定度。盡管采用電感-電容(LC)或電阻-電容(RC)諧振器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單振蕩器可滿足一些應(yīng)用的要求，但是添加石英晶體將可大幅地將元件的頻率穩(wěn)定度提高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且所需的成本通常很小。

輸出頻率

任何振蕩器最基本的屬性都是它所產(chǎn)生的頻率。根據(jù)定義，振蕩器是接受輸入電壓(通常為直流電壓)并在某一頻率下產(chǎn)生重復(fù)交流(AC)輸出的元件。所需的頻率由系統(tǒng)類(lèi)型以及如何使用該振蕩器所決定。

有些應(yīng)用需要kHz范圍的低頻晶體。常見(jiàn)的例子是32.768kHz的手表晶體。 但是大多數(shù)的現(xiàn)有應(yīng)用都需要更高頻率的晶體，范圍大約從不到10MHz到大于100MHz之間。

頻率穩(wěn)定度和溫度范圍

所需的頻率穩(wěn)定度由系統(tǒng)的要求決定。振蕩器的穩(wěn)定度可簡(jiǎn)單地表述為：由于某些現(xiàn)象引起的頻率變化除以中心頻率。公式為：

穩(wěn)定度=頻率變化÷中心頻率

例如，如果振蕩器輸出頻率為10MHz，而且隨溫度變化了10Hz，則其溫度穩(wěn)定度為：10/10,000,000 = 1x10-6=1ppm。晶體振蕩器的典型穩(wěn)定度可以在100ppm至0.001ppm之間。頻率穩(wěn)定度通常視應(yīng)用需求決定，并進(jìn)而確定所需要的晶體振蕩器類(lèi)型。振蕩器必須工作的溫度范圍是確定可達(dá)到穩(wěn)定度的主要因素。

晶體振蕩器類(lèi)型

簡(jiǎn)單晶體振蕩器(XO)： 這是最基本的類(lèi)型，其穩(wěn)定度完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 在MHz范圍內(nèi)的較高頻率晶體由石英棒制成，其制造方式是即使環(huán)境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化，也可提供相對(duì)穩(wěn)定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)切割的石英晶體也可實(shí)現(xiàn)±25ppm的穩(wěn)定度。與諸如隨溫度變化可達(dá)1%(10,000ppm)或更高的LC振蕩電路等其它被動(dòng)諧振器相較，晶體振蕩器的性能已大幅提升了。但對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，即使25ppm也不夠好，因此必須采用額外措施。

溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)： 如果固有頻率與石英晶體的溫度穩(wěn)定度無(wú)法滿足應(yīng)用要求，就可以采用溫度補(bǔ)償單元。TCXO使用溫度感測(cè)元件以及產(chǎn)生電壓曲線的電路，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，該電壓曲線與晶體的頻率變化趨勢(shì)完全相反，所以可理想地抵消晶體的漂移。根據(jù)TCXO的類(lèi)型和溫度范圍，TCXO的典型穩(wěn)定度規(guī)范范圍為小于±0.5ppm至±5ppm。

恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)： 對(duì)于某些應(yīng)用，TCXO的頻率-溫度穩(wěn)定度指標(biāo)仍無(wú)法滿足要求。在這些情況下，可能需要OCXO。顧名思義，具有烤腔的振蕩器將晶體加熱到更高溫度，但仍受控制，使得環(huán)境溫度即使變化大，晶體的溫度也保持穩(wěn)定。由于晶體的溫度和振蕩器的敏感部份變化很小，頻率-環(huán)境溫度穩(wěn)定度得到顯著改善。在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，OCXO的穩(wěn)定度可以達(dá)到0.001ppm。然而，這種穩(wěn)定度的提升是以增加功耗為代價(jià)的，將熱量提供給烤腔當(dāng)然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率以維持內(nèi)部溫度。在開(kāi)機(jī)后，還需要等待溫度和頻率穩(wěn)定的暖機(jī)時(shí)間，取決于晶體振蕩器的類(lèi)型，暖機(jī)時(shí)長(zhǎng)通常從1分鐘到10多分鐘。

壓控晶體振蕩器(VCXO)： 在一些應(yīng)用中，期望能夠調(diào)諧或調(diào)整振蕩器的頻率，以便將其鎖相到鎖相環(huán)(PLL)中的參考，或可能用于調(diào)節(jié)波形。VCXO透過(guò)電子頻率控制(EFC)電壓輸入，提供了這項(xiàng)功能。對(duì)于某些專(zhuān)用元件，VCXO的調(diào)諧范圍規(guī)格可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。

TCVCXO和VCOCXO： TCXO或OCXO通常包括EFC輸入電壓，使其得以進(jìn)行調(diào)整，以便將輸出頻率精確地校準(zhǔn)為標(biāo)稱值。

圖1：通用振蕩器方塊圖

圖2：不同晶體振蕩器類(lèi)型的頻率與溫度穩(wěn)定度

輸入電壓和功率

任何類(lèi)型的晶體振蕩器通常都可以被設(shè)計(jì)為利用系統(tǒng)中已有的DC輸入供電電壓來(lái)操作。在數(shù)位系統(tǒng)中，通常希望使用電壓，以匹配系統(tǒng)中邏輯元件所用的電壓;該系統(tǒng)中將驅(qū)動(dòng)振蕩器，使其得以直接相容于邏輯電平。+3.3V或+5V是這些數(shù)位單元的典型輸入。具有較高功率輸出的其它元件可以使用較高電壓，例如+12V或+15V。另一個(gè)考慮因素是為元件供電所需的電流量。XO或TCXO可能只需要幾mA，因此在低電壓系統(tǒng)中，其功耗可以小于0.01W。另一方面，在上電時(shí)，一些OCXO可能需要5W或6W。

輸出波形

然后要選擇輸出波形以匹配振蕩器將在系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。最常見(jiàn)的輸出之一是CMOS，以驅(qū)動(dòng)邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在接地和系統(tǒng)的Vdd軌之間擺動(dòng)的方波。對(duì)于高于約100MHz的較高頻率，通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個(gè)180°反相的輸出、具有快速上升和下降時(shí)間以及非常小的抖動(dòng)。最通用的類(lèi)型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用于驅(qū)動(dòng)RF元件(如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的元件)，則通常會(huì)指定某個(gè)功率級(jí)的正弦波輸出。盡管如果需要可以輸出更高功率，但一般產(chǎn)生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之間。

封裝尺寸和外形

取決于振蕩器的類(lèi)型和規(guī)格，對(duì)于晶體振蕩器封裝的要求將大相逕庭。簡(jiǎn)單的時(shí)脈振蕩器和一些TCXO可以安裝在小至1.2×2.5mm2的封裝中;而一些OCXO可以大到50×50mm2，對(duì)某些特定設(shè)計(jì)，甚至可以更大。雖然一些通孔封裝，如雙列直插式4或14接腳類(lèi)型仍然用于較大的元件(如OCXO或?qū)Ｓ肨CXO)，但目前大多數(shù)的設(shè)計(jì)都使用表面黏著封裝。這些表面黏著配置可以是密封的陶瓷封裝，或是基于FR-4、具有用于I/O建構(gòu)的元件。

如上所述，當(dāng)選定晶體振蕩器時(shí)，有許多不同的選擇必須考慮。然而，透過(guò)檢查使用晶體振蕩器的系統(tǒng)，最方便的選擇將變得顯而易見(jiàn);例如可用于為晶體振蕩器供電的輸入電壓以及振蕩器的輸出將驅(qū)動(dòng)的元件類(lèi)型等因素。還必須考慮應(yīng)用的其它限制條件，例如實(shí)體尺寸和操作環(huán)境。除了這些基本參數(shù)之外，針對(duì)特定應(yīng)用，還有許多其它規(guī)格必須加以以考量。當(dāng)全盤(pán)考慮這些因素后，將會(huì)找到一款滿足系統(tǒng)要求的晶體振蕩器。

關(guān)鍵詞： 晶體振蕩器