晶体振荡器被广泛应用到军、民通信设备,雷达导航测控,电子仪器,家用电器,GPS,汽车电子,计算机及外设等。各种类型的晶体振荡器都有自己的独特性能,但各类型的不少特性互相交叉。不同类型晶振有不同的特点,技术指标上有很大的差别。选用晶体振荡器应从下列方面考虑:
1、确定产品基本需求
首先需要确定目标产品的基本需求,这些需求往往是具体而明确的。基本需求包括输出频率、输出波形、电源电压、外形尺寸、封装形式及有关装配要求。其次要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理,这就
需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素,这里的成本不仅仅包含器件的价格,而且包含产品全寿命的使用成本。设计工程师要慎重决定应用的实际需要,然后规定振荡器的性能。指标愈高意味着花钱愈多。
2、整个工作温度范围的稳定度
晶体振荡器的主要特性之一是工作温区内的稳定性,它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽,器件的价格亦愈高。倘若-30~+70℃已经够用,那么就不必去追求更宽的温度范围。如果要求稳定性优于0.2ppm,那么就只能选择OCXO,或者选择性能更可靠也更昂贵的原子钟。如果要求稳定性介于±0.2~±0.5ppm之间,并且明确规定了温度范围和输出频率,那么既可以选择OCXO,也可以选择采用ASIC(专用集成电路)进行温度补偿的TCXO。稳定度在±0.5~±10ppm范围内,TCXO是最佳选择。在±10~±20ppm范围内,如果其他方面的要求不是很高,那么价格低廉的SPXO/XO就足以胜任。与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动,这些指标应该规定出来。有时还需要提出振动、冲击以及电磁干扰(EMI)方面的指标,军用品和宇航设备的要求往往更多,比如压力变化时的容差、受辐射时的容差等等。
3、输出特性
晶体振荡器可以采用方波和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途(波形图见概述)。方波包括HCMOS、TTL、ACMOS、ECL、PECL等。其要求有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力、三态或互补输出等几个指标要求。许多DSP和通信芯片组往往需要严格的对称性(45%至55%)和快速的上升和下降时间(小于5ns)。对于正弦波,通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。
目前,我们能提供100MHz以下的TTL、HCMOS输出的振荡器产品。正弦波输出的振荡器产品最高工作频率达220MHz,需要更高频率的产品可选择倍频方式。
4、老化因素
晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化,可用规定时限后的最大变化率(如±10ppb/天,加电72小时后),或规定的时限内最大的总频率变化(如:±1ppm/第一年和±5ppm/十年)来表示。TCXO 的频率老化率为:±0.5ppm~±2ppm/第一年,(除特殊情况,TCXO很少采用每天频率老化率的指标,因为即使在实验室的条件下,温度变化引起的频率变化也将大大超过温补晶振每天的频率老化,因此这个指标失去了实际的意)。OCXO的频率老化率为:±0.5ppb~±0.5ppm。老化率指标要求高意味著生产周期长,应给生产商足够的时间对晶体振荡器进行老化。同时也意味著成本的增加。使用10年以上的晶体,其老化速度大约是第一年的3倍,因此,通讯设备生产商一般在8~10年会更新相关设备或部件。采用特殊的晶体加工工艺
可以改善这种情况(如采用冷压焊的SC切晶体谐振器),也可以采用频率调节的办法解决。
5、相位噪声和抖动
在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中心频率的1Hz之内和通常测量到1MHz。晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用数字补偿的振荡器比采用模拟补偿的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能,但表现了较好的温度稳定性。各级别相位噪声指标是决定振荡器价格的重要因素,低的相位噪声代表着高的价格。抖动与相位噪声相关,但是它在时域下测量。以微秒表示的抖动可用有效值或峰—峰值测出。许多应用,例如通信网络、无线数据传输、ATM和SONET要求必须满足严格的抖动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。下表为一些应用领域对相噪的要求,供参考。
晶体振荡器的相噪
6、环境条件
晶体振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如高强度的振动或冲击会给振荡器带来问题。晶体谐振器是加速度敏感元件,除了可能产生物理损坏,振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。这些外部感应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况(如采用多点支撑冷压焊的SC 切晶体谐振器),也可采取减振措施。具体要求可与我们联系。在我们产品的企军标中,振动、冲击和密封筛选试验不是必做项目,只有在用户有明确要求时才进行。
7、体积
与其它电子元件相似,晶体振荡器亦采用愈来愈小型的封装。通常较小型的器件比较大型的表面贴装或直插封装器件更昂贵。所以,小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。器件选型时一般都要留出一些余量,以保证产品的可靠性。选用较高档的器件可以进一步降低失效概率,带来潜在的效益,这一点在比较产品价格的时候也要考虑到。