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石英晶體諧振器

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應(對某些電介質施加機械力而引起它們內部正負電荷中心相對位移,產生極化,從而導致介質兩端表面內出現符號相反的束縛電荷.在一定應力范圍內,機械力與電荷呈線性可逆關系.)而制成的諧振元件.與半導體器件和阻容元件一起使用,便可構成石英晶體振蕩器.
石英晶體諧振器

石英晶體諧振器相關產品

工作原理

石英晶體若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應,晶振就是根據壓電效應研制而成。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下,晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時,振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。

特點

石英晶體振蕩器是由品質因素極高的石英晶體振子(即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等,共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類:普通晶體振蕩(TCXO),電壓控制式晶體振蕩器(VCXO),溫度補償式晶體振蕩(TCXO),恒溫控制式晶體振蕩(OCXO)。目前發展中的還有數字補償式晶體損振蕩(DCXO)等。
普通晶體振蕩器(SPXO)可產生10^(-5)~10^(-4)量級的頻率精度,標準頻率1—100MHZ,頻率穩定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施,價格低廉,通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)的精度是10^(-6)~10^(-5)量級,頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩定度是±50ppm。通常用于鎖相環路。封裝尺寸14×10×3mm。
溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償,頻率精度達到10^(-7)~10^(-6)量級,頻率范圍1—60MHz,頻率穩定度為±1~±2.5ppm,封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。
恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中,以消除環境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級,對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩定度在四種類型振蕩器中最高。

術語解釋

1、 標稱頻率:晶體技術條件中規定的頻率,通常標識在產品外殼上;
2、 工作頻率:晶體與工作電路共同產生的頻率;
3、 調整頻差:在規定條件下,基準溫度(25±2℃)時工作頻率相對于標稱頻率所允許的偏差;
4、 溫度頻差:在規定條件下,在工作溫度范圍內相對于基準溫度(25±2℃)時工作頻率的允許偏差;
5、 老化率:在規定條件下,晶體工作頻率隨時間而允許的相對變化。以年為時間單位衡量時稱為年老化率;
6、 靜電容:等效電路中與串聯臂并接的電容,也叫并電容,通常用C0表示。
7、 負載電容:與晶體一起決定負載諧振頻率fL的有效外界電容,通常用CL表示。負載電容系列是:8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。只要可能就應選推薦值:10PF、20PF、30PF、50PF、100PF;
8、 負載諧振頻率(fL):在規定條件下,晶體與一負載電容相串聯或相并聯,其組合阻抗呈現為電阻性時的兩個頻率中的一個頻率。在串聯負載電容時,負載諧振頻率是兩個頻率中較低的一個,在并聯負載電容時,則是兩個頻率中較高的一個;
9、 動態電阻:串聯諧振頻率下的等效電阻。用R1表示;
10、 負載諧振電阻:在負載諧振頻率時呈現的等效電阻。用RL表示。 RL=R1(1+C0/CL)2
11、 激勵電平:晶體工作時所消耗功率的表征值。激勵電平可選值有:2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等
12、 基頻:在振動模式最低階次的振動頻率。13、 泛音:晶體振動的機械諧波。泛音頻率與基頻頻率之比接近整數倍但不是整數倍,這是它與電氣諧波的主要區別。泛音振動有3次泛音,5次泛音,7次泛音,9次泛音等。
14、頻率準確度:在規定條件下,晶振輸出頻率相對于標稱頻率的允許偏離值。常用其相對值表示。
15、頻率穩定度:
15.1[時域表征]   
  ⑴ 在規定條件下,晶振內部元件由于老化而引起的輸出頻率隨時間的漂移。通常用某一時間間隔內的老化頻差的相對值來量度(如日、月或年老化率等)。   
  ⑵ 日穩定度(或稱日波動):指晶振輸出頻率在24小時內的變化情況。通常用其最大變化的相對值來表示。
15.2[頻域表征]   
  ⑴ 單邊相位噪聲功率譜密度,晶振輸出信號的頻譜中,用偏離載頻f Hz處每Hz帶寬內單邊相位噪聲功率與信號功率之比的分貝(dB)量,可寫作 £(f)單位為dB/Hz。   
  ⑵ 頻譜純度:是量度晶振內部噪聲及雜散譜的尺度。通常用單邊噪聲功率譜密度來表示。3、輸出波形:有正弦波和方波兩種。4、輸出幅度:在接入額定負載的規定條件下,晶振輸出的均方根值電壓。5、頻率溫度特性:當環境溫度在規定范圍內按預定方式變化時,晶振的輸出頻率產生的相對變化特性6、壓控線性度:指壓控晶振輸出頻率與壓控電壓曲線偏離線性的程度。

發展趨勢

1、小型化、薄片化和片式化:為滿足移動電話為代表的便攜式產品輕、薄、短小的要求,石英晶體振蕩器的封裝由傳統的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30~100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm,目前5×3mm尺寸的器件已經上市。
2、高精度與高穩定度,目前無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm,VCXO的頻率穩定度在10~7℃范圍內一般可達±20~100ppm,而OCXO在同一溫度范圍內頻率穩定度一般為±0.0001~5ppm,VCXO控制在±25ppm以下。
3、低噪聲,高頻化,在GPS通信系統中是不允許頻率顫抖的,相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數。目前OCXO主流產品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外,其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz。例如用于GSM等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器,其頻率為650~1700 MHz,電源電壓2.2~3.3V,工作電流8~10mA。
4、低功能,快速啟動,低電壓工作,低電平驅動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產品,電流損耗不超過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術也取得突破性進展。例如日本精工生產的VG—2320SC型VCXO,在±0.1ppm規定值范圍條件下,頻率穩定時間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產的SMD TCXO,在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90[%]。OAK公司的10~25 MHz的OCXO產品,在預熱5分鐘后,則能達到±0.01 ppm的穩定度。

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