晶振OSC概述、分类、工作原理及作用

晶振相关概述
晶体振荡器，简称晶体振荡器，其功能是产生原始时钟频率，经过频率发生器的倍频或分频后，成为计算机中各种总线频率。以声卡为例，模拟信号44.1kHz或48kHz频率发生器必须提供44.1kHz或48kHz时钟频率。如果需要同时支持这两个音频，声卡需要两个晶振。然而，娱乐级声卡通常用于降低成本SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质造成损害，目前的娱乐级声卡还没有很好地解决这个问题。
石英晶体振荡器

石英晶体振荡器的基本结构和工作原理
石英晶体振荡器分为非温度补偿晶体振荡器和温度补偿晶体振荡器（TCXO）、晶体振荡器的电压控制（VCXO）、恒温控制晶体振荡器（OCXO）和数字化/μp补偿晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。其中，无温度补偿晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准(JIS)称之为标准晶体振荡器封装（SPXO）。现以SPXO例如，简要介绍石英晶体振荡器的结构和工作原理。
石英晶体，天然和人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并不是一个振荡器，它只能在有源激励和无源电抗网络的帮助下产生振荡。SPXO主要由质量因素决定（Q）高晶体谐振器(即晶体振子)和反馈振荡电路由振荡器中的石英晶体振子组成元件、晶体频率（基频或n次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割方向。石英晶体谐振器的基本结构、（金属外壳）包装及其等效电路。
只要在晶体振子板极上施加交变电压，晶片就会产生机械变形振动，即所谓的反压电效应。当外部电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，会发生压电谐振，导致机械变形振幅突然增加。
晶体振荡器的温度补偿（TCXO）： TCXO它是一种石英晶体振荡器，通过附加温度补偿电路减少周围温度变化产生的振荡频率变化。
TCXO石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿：
直接补偿型
直接补偿型TCXO温度补偿电路由热敏电阻和电阻元件组成，与振荡器中的石英晶体振子串联。当温度变化时，热敏电阻的电阻值和晶体等效串联电容值相应变化，以抵消或减少振荡频率的温度漂移。该补偿方法电路简单，成本低，节省了印刷电路板（PCB）适用于小型和低压小电流场合的尺寸和空间。但当晶体振荡器精度小于时±1pmm直接补偿不合适。
间接补偿型
间接补偿类型分为模拟类型和数字类型。模拟间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件形成温度-电压变换电路，并将电压施加到与晶体振子串联的变容器二极管上，通过晶体振子串联电容的变化来补偿晶体振子的非线性频率漂移。该补偿方式能实现±0.5ppm高精度，但在3V以下低压受到限制。数字间接温度补偿是在模拟补偿电路中加入一级模/数（A/D）将模拟量转换为数字量的变换器。该方法可实现自动温度补偿，使晶体振荡器频率稳定性很高，但具体补偿电路复杂，成本高，仅适用于基地站、广播电台等高精度要求。
TCXO发展现状
TCXO在过去的十年里，它取得了巨大的发展，包括精度TCXO日本在研度补偿型石英晶体谐振器的研发和生产中处于领先地位。20世纪70年代末，汽车电话使用TCXO的体积达20 以上，目前主流产品已降至0.4 ，超小型化的TCXO设备体积仅为0.27 。在30年中，TCXO体积缩小了50多倍甚至100倍。日本京瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm，在振荡启动4ms可达到额定振荡幅度的90%。金石（KSS）集团生产的TCXO频率范围为2~80MHz，温度从－10℃到60℃变化时的稳定度为±1ppm或±2ppm；数字式TCXO频率覆盖范围为0.2～90MHz，频率稳定性为±0.1ppm（－30℃～＋85℃）。日本东洋 生产通信机TCO935/937直接温补TCXO，频率温度特性(点频15.36MHz）为±1ppm/－20～＋70℃，在5V±5％的 电源电压下的频率电压特性为±0.3ppm，输出正弦波形(振幅值为1)VPP），电流损失不足2mA，体积1 ，重量仅为1g。PiezoTechnology生产的X3080型TCXO正弦波或逻辑输出在-55℃～85℃能够在范围内实现±0.25～±1ppm的精度。北京瑞华鑫科技开发有限公司推出的国内产品水平也较高TCXO（32～40MHz）精度优于室温±1ppm，第一年频率老化率为±1ppm，微调频率(机械)≥±3ppm，电源功耗≤120mw。目前稳定性高TCXO设备，精度可达±0.05ppm。
高精度、低功耗和小型化仍然存在TCXO研究课题。在小型化和片式化方面，存在许多困难，主要有两点：一是小型化会降低石英晶体振子的频率变化范围，使温度补偿更加困难；第二，由于焊接温度远高于片式包装后的回流焊接作业TCXO如果不采取局部冷却措施，最大允许温度会改变晶体振子的频率，难以将TCXO控制频率变化量±0.5×10－6以下。但是，TCXO技术水平的提高还没有达到极限，创新的内容和潜力仍然很大。
3.TCXO的应用 ：由于石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用，TCXO频率稳定性高，体积小，可在小电流下快速启动，其应用领域重点扩展到移动通信系统。
TCXO作为发送信道的基准振荡器，作为接收通道的第一级本机振荡器；另一个TCXO将其振荡信号输入第二变频器作为第二级本机振荡器。目前移动电话所需的频率稳定性为0.1～2.5ppm（－30～＋75℃），但由于成本考虑，通常选择的规格是1.5～2.5ppm。12~20移动电话MHz的TCXO代表性产品之一是VC－TCXO－201C1.采用直接补偿方式，外观如图2所示（b）由日本金石所示（KSS）公司生产。
晶体振荡器的电压控制（VCXO）
晶体振荡器的电压控制（VCXO），施加外部 石英晶体振荡器控制电压使振荡频率可变或可调。VCXO石英晶体振子频率通常通过调节电压来牵引变容器二极管的电容量。VCXO允许频率控制范围较宽，实际牵引范围约为±200ppm甚至更大。
如果要求VCXO输出频率高于石英晶体振子，可采用倍频方案。扩大调整范围的另一种方法是将晶体振荡器的输出信号和VCXO混频输出信号。与单个振荡器相比，两个外差振荡器的信号调谐范围显著扩大。
高精度基准信号源用于移动通信基地站VCXO代表性产品是日本精工·爱普生公司生产VG－2320SC。这种采用与IC同样的塑料密封4引脚装置，内部单独开发专用IC，器件尺寸为12.6mm×7.6mm×1.9mm，体积为0.19 。标准频率为12~20MHz，电源电压为3.0±0.3V，工作电流不大于2mA，在－20～＋75℃范围内的频率稳定度≤±1.5ppm，频率可变范围为±20～±35ppm，启动振荡时间小于4ms。金石集团生产VCXO，频率覆盖范围为10~360MHz，频率牵引从±60ppm到±100ppm。VCXO包装的发展趋势是朝SMD方向发展，电源电压尽可能采用3.3V。日本东洋通信机生产的TCO－947系列片式VCXO，早在90年代期前就应用于汽车电话系统。该系列VCXO的工作频率点是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，频率温度特性±2.5ppm/－30～＋75℃，频率电压特性±0.3ppm/5V±5％，老化特性±1ppm/年，内部采用SMD/SMC，并采用激光束和汽相点焊方式封装，高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统（PHS）等移动通信用VCXO，共有两大类六个系列，为适应SMT要求，全部采用SMD封装。Saronix的S1318型、Vectron国际公司的J型、Champion技术公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，均是表面贴装器件，电源电压为3.3V或5V，可覆盖的频率范围或最高频率分别为32～120MHz、155MHz、2～40MHz和1－50MHz，牵引度从±25ppm到±150ppm不等。MF 电子公司生产的T－VCXO系列产品尺寸为5mm×7mm，曾被业内认为是外形尺寸最小的产品，但这个小型化的记录很快被打破。目前新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm，并且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司生产的VX－8000系
恒温控制晶体振荡器（OCXO）
　　CXO是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器，其内部结构如图4所示。在OCXO中，有的只将石英晶体振子置于恒温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要 元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在1×10－9。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。
　　OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻“电桥”构成的差动串联放大器，来实现温度控制的。具有自动增益控制（AGC）的（C1app）振荡电路，是目前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。
　　在近几年中，OCXO的技术水平有了很大的提高。日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的1/10。在克服OCXO功耗较大这一缺点方面取得了重大突破。该公司使用应力补偿切割（SCCut）石英晶体振子制作的OCXO，与使用AT切形石英晶体振子的OCXO比较，具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率（C/N），是表征频率颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶体制成的同样OCXO，则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。
　　金石集团生产的OCXO，频率范围为5～120MHz，在－10～＋60℃的温度范围内，频率稳定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指标为±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak频率控制公司的4895型4.096～45MHz双恒温箱控制OCXO，温度稳定度仅为0.002ppm（2×10－10）/0～75℃；4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率为±0.03ppm/年。如果体积缩小一点，在性能指标上则会有所牺牲。Oak公司生产的10～25MHz表面贴装OCXO，频率稳定度为±0.05ppm/0～70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系统（GPS）的OCXO采用SC切形石英晶体振子，在0～75℃范围内总频偏小于±0.005ppm，最大老化率为±0.005ppm/年。Vectron国际公司的CO－760型OCXO，尺寸为25.4mm见方，高12.7mm，在OCXO产品中，体积算是较小的。随着移动通信产品的迅猛增长，对OCXO的市场需求量会逐年增加。OCXO的发展方向是顺应高频化、高频率稳定度和低相位噪声的要求，但在尺寸上的缩小余地非常有限。
　　晶体谐振器
　　晶体谐振器现已被广泛使用，很多厂商在考虑成本因素的前提下，甚至用晶体谐振器代替振荡器。晶体谐振器常见有3种封装方式：金属、陶瓷、玻璃。其中金属封装最为常见，玻璃封装则最为便宜，但含铅（技术瓶颈）；陶瓷封装价格介于两者之间，但技术要求高，目前产品比较成熟的厂家只有少数几家，如日本京瓷、台湾鸿星、浙江嘉康等。目前亚洲市场产销量较大的国内厂家是浙江东晶电子，还有台湾晶技这两家的客户都是日本一线电子厂家如松下电子，SONY等。需要说明的是目前市场主导产品盒型分为：49S，49SMD，SMD S3225，SMD 6035，SMD G8045。
　　有关晶体的正负极
　　晶振分为有源晶振和无源晶振。无源晶振只有两个引脚，没有所谓的正负极。有源晶振需要接电源才能工作，一般有四个引脚，其中有两个电源输入引脚，有正负极之分。

例如某网卡的时钟电路采用了高精度的SKO25MHz的晶振，较可靠保证了数据传输的精确同步性，大大减少了丢包的可能性，并且在线路的设计上尽量靠近主 芯片，使信号走线的长度大大缩短，可靠性进一步增加。而如果采用劣质晶振，这样做虽然可以降低一点网卡成本，但因为频率的准确性问题，极易造成传输过程中的数据丢包的情况。