什么是晶体振荡器？及其发展趋势大揭秘

晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片)，石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

应用

1.通用晶体振荡器，用于各种电路中，产生振荡频率。

2.时钟脉冲用石英晶体谐振器，与其它元件配合产生标准脉冲信号，广泛用于数字电路中。

3.微处理器用石英晶体谐振器。

4.CTVVTR用石英晶体谐振器。

5.钟表用石英晶体振荡器。

技术指标

⒈总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大频差。

说明：总频差包括频率温度稳定度、频率温度准确度、频率老化率、频率电源电压稳定度和频率负载稳定度共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如：精密制导雷达。

⒉ 频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。

fT=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)

fTref =±MAX[|(fmax-fref)/fref|，|(fmin-fref)/fref|]

fT：频率温度稳定度(不带隐含基准温度)

fTref：频率温度稳定度(带隐含基准温度)

fmax ：规定温度范围内测得的最高频率

fmin：规定温度范围内测得的最低频率

fref：规定基准温度测得的频率

说明：采用fTref指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用fT指标的晶体振荡器，故fTref指标的晶体振荡器售价较高。

⒊ 频率稳定预热时间：以晶体振荡器稳定输出频率为基准，从加电到输出频率小于规定频率允差所需要的时间。

说明：在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和关机，这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到(尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，当要求频率温度稳定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作为本振，频率稳定预热时间将不少于5分钟，而采用DTCXO只需要十几秒钟)。

⒋ 频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，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。

说明：TCXO的频率老化率为：±0.2ppm～±2ppm(第一年)和±1ppm～±5ppm(十年)(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度补偿晶体振荡器每天的频率老化，因此这个指标失去了实际的意义)。OCXO的频率老化率为：±0.5ppb～±10ppb/天(加电72小时后)，±30ppb～±2ppm(第一年)，±0.3ppm～±3ppm(十年)。

⒌频率压控范围：将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量。

说明：基准电压为+2.5V，规定终点电压为+0.5V和+4.5V，压控晶体振荡器在+0.5V频率控制电压时频率改变量为-110ppm，在+4.5V频率控制电压时频率改变量为+130ppm，则VCXO电压控制频率压控范围表示为：≥±100ppm(2.5V±2V)。

⒍压控频率响应范围：当调制频率变化时，峰值频偏与调制频率之间的关系。通常用规定的调制频率比规定的调制基准频率低若干dB表示。

说明：VCXO频率压控范围频率响应为0～10kHz。

⒎频率压控线性：与理想(直线)函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。

说明：典型的VCXO频率压控线性为：≤±10%，≤±20%。简单的VCXO频率压控线性计算方法为(当频率压控极性为正极性时)：

频率压控线性=±((fmax-fmin)/ f0)×100%

fmax：VCXO在最大压控电压时的输出频率

fmin：VCXO在最小压控电压时的输出频率

f0：压控中心电压频率

⒏单边带相位噪声￡(f)：偏离载波f处，一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。

主要参数

参数基本描述

频率准确度在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(25℃)以及其他条件保持不变，晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差，即(fmax-fmin)/f0;

温度稳定度其他条件保持不变，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);

频率调节范围通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。

调频(压控)特性包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。

①调频频偏：压控晶体振荡器控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。

②调频灵敏度：压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。

③调频线性度：是一种与理想直线(最小二乘法)相比较的调制系统传输特性的量度。

负载特性其他条件保持不变，负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。

电压特性其他条件保持不变，电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。

杂波输出信号中与主频无谐波(副谐波除外)关系的离散频谱分量与主频的功率比，用dBc表示。

谐波谐波分量功率Pi与载波功率P0之比，用dBc表示。

频率老化在规定的环境条件下，由于元件(主要是石英谐振器)老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振，由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移，往往用老化率(单位时间内的相对频率变化)来量度。

日波动指振荡器经过规定的预热时间后，每隔一小时测量一次，连续测量24小时，将测试数据按S=(fmax-fmin)/f0式计算，得到日波动。

开机特性在规定的预热时间内，振荡器频率值的最大变化，用V=(fmax-fmin)/f0表示。

相位噪声短期稳定度的频域量度。用单边带噪声与载波噪声之比£(f)表示，£(f)与噪声起伏的频谱密度Sφ(f)和频率起伏的频谱密度Sy(f)直接相关，由下式表示：

f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£(f)

f—傅立叶频率或偏离载波频率;f0—载波频率。

下面给大家说说晶体振荡器的发展趋势。

1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如TCXO这类器件的体积缩小了30～100倍。采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目 前 5×3mm尺寸的器件已经上市。

2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。

3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650～1700MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。

4、低功耗，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源电压一般为3.3V。许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的SMDTCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的10～25MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01ppm的稳定度。