石英晶體振蕩器，石英諧振器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)(yīng)的石英晶體片制成的。

這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)(chǎn)生機(jī)(jī)械振動(dòng)，當(dāng)(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)(yīng)。

利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)(wěn)定度高等優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)，被應(yīng)(yīng)用于家用電器和通信設(shè)(shè)備中。

按大類分為以下4種

1、簡單晶體振蕩器(XO)

這是最基本的類型，其穩(wěn)(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)(nèi)的較高頻率晶體由石英棒制成，其制造方式是即使環(huán)(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)(wěn)定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內(nèi)(nèi)，適當(dāng)(dāng)切割的石英晶體也可實(shí)(shí)現(xiàn)(xiàn)±25ppm的穩(wěn)(wěn)定度。與諸如隨溫度變化可達(dá)(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)(yīng)用來說，即使25ppm也不夠好，因此必須采用額外措施。

2、溫度補(bǔ)(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)

如果固有頻率與石英晶體的溫度穩(wěn)(wěn)定度無法滿足應(yīng)(yīng)用要求，就可以采用溫度補(bǔ)(bǔ)償單元。TCXO使用溫度感測(cè)元件以及產(chǎn)(chǎn)生電壓曲線的電路，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)(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)(jù)TCXO的類型和溫度范圍，TCXO的典型穩(wěn)(wěn)定度規(guī)(guī)范范圍為小于±0.5ppm至±5ppm。

3、恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)

對(duì)于某些應(yīng)(yīng)用，TCXO的頻率-溫度穩(wěn)(wěn)定度指標(biāo)(biāo)仍無法滿足要求。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)(huán)境溫度即使變化大，晶體的溫度也保持穩(wěn)(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)(huán)境溫度穩(wěn)(wěn)定度得到顯著改善。在環(huán)(huán)境溫度范圍內(nèi)(nèi)，OCXO的穩(wěn)(wěn)定度可以達(dá)(dá)到0.001ppm。然而，這種穩(wěn)(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)(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)(nèi)部溫度。在開機(jī)(jī)后，還需要等待溫度和頻率穩(wěn)(wěn)定的暖機(jī)(jī)時(shí)間，取決于晶體振蕩器的類型，暖機(jī)(jī)時(shí)長通常從1分鐘到10多分鐘。

4、壓控晶體振蕩器(VCXO)

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

5要素

1、輸出頻率

任何振蕩器最基本的屬性都是它生成的頻率。根據(jù)(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)(chǎn)生重復(fù)(fù)交流輸出的器件。所需的頻率由系統(tǒng)(tǒng)類型和如何使用該振蕩器所決定。
一些應(yīng)(yīng)用需要kHz范圍內(nèi)(nèi)的低頻晶體。一個(gè)常見的例子是32.768 kHz手(鐘)表晶體。 但是大多數(shù)(shù)當(dāng)(dāng)前的應(yīng)(yīng)用需要更高頻率的晶體，范圍從小于10MHz到大于100MHz。
2、頻率穩(wěn)(wěn)定性和溫度范圍
所需的頻率穩(wěn)(wěn)定性由系統(tǒng)(tǒng)要求確定。振蕩器的穩(wěn)(wěn)定性可簡單地表述為：由于某些原因引起的頻率變化除以中心頻率。（即：穩(wěn)(wěn)定性=頻率變化÷中心頻率）

3、輸入電壓和功率

任何類型的晶振通常都可以被設(shè)(shè)計(jì)為利用系統(tǒng)(tǒng)中已有的DC輸入電源電壓來操作。 在數(shù)(shù)字系統(tǒng)(tǒng)中，通常希望使用與振蕩器將驅(qū)(qū)動(dòng)的系統(tǒng)(tǒng)中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來驅(qū)(qū)動(dòng)晶振，以便邏輯電平是直接兼容的。+3.3V或+5V是這些數(shù)(shù)字單元的典型輸入。具有較高功率輸出的其它器件可以使用較高電壓，例如+12V或+15V。另一個(gè)考慮因素是為器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)(tǒng)中，其功耗可以小于0.01W。另一方面，在上電時(shí)，一些OCXO可以需要5W或6W。

4、輸出波形

然后要選擇輸出波形以匹配振蕩器將在系統(tǒng)(tǒng)中驅(qū)(qū)動(dòng)的負(fù)(fù)載。最常見的輸出之一是CMOS——以驅(qū)(qū)動(dòng)邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和系統(tǒng)(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°異相的輸出、具有快速上升和下降時(shí)間以及非常小的抖動(dòng)。最通用的類型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用于驅(qū)(qū)動(dòng)RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件，則通常會(huì)指定某個(gè)功率級(jí)別的正弦波輸出。產(chǎn)(chǎn)生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之間，盡管如果需要可以輸出更高功率。

5、封裝尺寸和外形

基于振蕩器類型和規(guī)(guī)格，對(duì)晶振封裝的要求將大相徑庭。簡單的時(shí)鐘振蕩器和一些TCXO可以裝在小到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)(shè)計(jì)，甚至可更大。雖然一些通孔封裝如雙列直插式4或14引腳類型仍然用于較大的部件(如OCXO或?qū)Ｓ肨CXO)，但大多數(shù)(shù)當(dāng)(dāng)前設(shè)(shè)計(jì)使用表貼封裝。這些表貼配置可以是密封的陶瓷封裝，或基于FR-4的、具有用于I/O的建構(gòu)(gòu)的組件。

6、總結(jié)(jié)

器件選型時(shí)一般都要留出一些余量，以保證產(chǎn)(chǎn)品的可靠性。選用較高檔的器件可以進(jìn)(jìn)一步降低失效概率，帶來潛在的效益，這一點(diǎn)(diǎn)在比較產(chǎn)(chǎn)品價(jià)格的時(shí)候也要考慮到。要使振蕩器的“整體性能”趨于平衡、合理，這就需要權(quán)(quán)衡諸如穩(wěn)(wěn)定度、工作溫度范圍、晶體老化效應(yīng)(yīng)、相位噪聲、成本等多方面因素，這里的成本不僅僅包含器件的價(jià)格，而且包含產(chǎn)(chǎn)品全壽命的使用成本。