與當(dāng)今大多電子產(chǎn)品最起碼包含一個(gè)嵌入式控制器一樣，大多這樣的產(chǎn)品也都最少有一個(gè)晶振。實(shí)際上，在一些多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)備中，可用到10或更多個(gè)晶振。晶振一般用于設(shè)定處理器的時(shí)鐘頻率以及網(wǎng)絡(luò)速度或無線信道的工作頻率。晶振除提供FCC所要求的設(shè)定無線和網(wǎng)絡(luò)工作頻率的精度外，還提供大多現(xiàn)代產(chǎn)品所需要的精準(zhǔn)定時(shí)。
　　當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，你可從許多現(xiàn)成的預(yù)先封裝好的晶振中選用一種，也可自己設(shè)計(jì)晶振。在許多情況，你所要做的就是把合適的晶體(外加兩個(gè)電容)于內(nèi)置振蕩電路的處理器或其它芯片連接起來。否則，你需要獨(dú)立振蕩電路。
　　在這些場合，把時(shí)間和金錢花在自己設(shè)計(jì)和搭建晶振上無論在經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)品上市速度方面看都已得不償失。在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)中，更明智的作法是將元器件和芯片整合在一起、集成為系統(tǒng)而非研制具體的電路。現(xiàn)在，晶振已演進(jìn)為一個(gè)以獨(dú)立產(chǎn)品形態(tài)出現(xiàn)的子系統(tǒng)器件。
　　在更復(fù)雜的電子產(chǎn)品中，晶振基本是必須的。這些由純凈石英制成的細(xì)片能以精準(zhǔn)和非常穩(wěn)定的頻率振動(dòng)。其幾乎可被設(shè)定成任何頻率并在很寬的溫度范圍和電壓變異下保持該頻率的能力是任何RC或LC振蕩器都根本無法企及的。
　　石英是自然界中一種具有晶格結(jié)構(gòu)的材料，是地球表面僅次于長石(feldspar)的最常見的物質(zhì)。其化學(xué)成分是二氧化硅(SiO2)，但其壓電特性令其與眾不同。所謂壓電特性是指材料受到機(jī)械力的壓迫時(shí)產(chǎn)生電壓或當(dāng)用電壓激勵(lì)時(shí)以精準(zhǔn)頻率振蕩的能力。后一種特性使石英成為許多應(yīng)用中用以設(shè)定頻率的一種器件。
　　雖然可從大自然中得到石英晶振，但也可通過合成方式制造出晶體。純的石英晶振是通過在高壓釜內(nèi)將一種稱為lasca的礦物質(zhì)融化并于一個(gè)種子晶體整合在一起的方式獲得的。然后將這種晶體切割為小片、并以其為基礎(chǔ)生成設(shè)定某一特定工作頻率所需的厚度。
　　把晶體切割成片時(shí)的形狀和角度決定晶片的穩(wěn)定性及其它特征。有AT、SC和X等不同切法。兩條晶片分放在該晶體相背的兩面，并分別于焊裝引線連接。組裝好的晶振封裝在一個(gè)通常由金屬制的密閉殼內(nèi)。
　　晶體本身看起來象是具有等效感抗、容抗和阻抗器件的串聯(lián)諧振電路(圖1a)。將該晶體放在一個(gè)夾持物上將產(chǎn)生并聯(lián)電容，其中，該晶體在這兩個(gè)夾持平板中起著電介質(zhì)的作用。這種組合產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)特的兼有串聯(lián)和并聯(lián)諧振的電路。
       基于采用的振蕩電路，晶體可被用于串聯(lián)、并聯(lián)或抗諧振模式。因并聯(lián)模式不很穩(wěn)定，所以，一般避免采用。但，通常利用介于串聯(lián)和并聯(lián)諧振點(diǎn)間的頻率范圍。該區(qū)域稱為并聯(lián)模式范圍。
 　當(dāng)工作在并聯(lián)模式時(shí)，通過該晶體的外接容抗將決定工作頻率。該容抗稱為負(fù)載容抗，它包括PCB上以及振蕩電路中的任何雜散或分布電容。該負(fù)載容抗值一般在3到20pF之間，當(dāng)訂購一款用在并聯(lián)模式電路中的晶體時(shí)，必須指明該值。
　　也可給晶體添加一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)電容器以將其諧振頻率在一個(gè)窄的范圍內(nèi)變動(dòng)。該特性允許對頻率實(shí)施微小調(diào)整，它有能力為鎖相環(huán)(PLL)應(yīng)用生成一個(gè)可變頻晶振。
　　許多晶體也在更高的泛音頻率上起振。第3和第5泛頻最常見。所謂泛頻就是基本諧振頻率乘以3、5或其它奇數(shù)倍頻率的近似。而諧頻(harmonic)則是基本頻率的嚴(yán)格整數(shù)倍，但泛頻只是近似而非嚴(yán)格整數(shù)倍。
　　因典型晶體的基本振蕩頻率最大也就在30到50MHz，所以，泛頻模式是實(shí)現(xiàn)晶體精度和更高頻率穩(wěn)定性的一種方式。當(dāng)指定一款泛頻晶體時(shí)，強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確的頻率很重要，這樣，制造商才能在晶體中實(shí)現(xiàn)合適的基本頻率。  

關(guān)鍵參數(shù)
當(dāng)比較和選擇晶振時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮以下10個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
　　1、工作頻率 晶振的頻率范圍一般在1到70MHz之間。但也有諸如通用的32.768KHZ鐘表晶體那樣的特殊低頻晶體。晶體的物理厚度限制其頻率上限。歸功于類似反向臺(tái)面(inverted Mesa)等制造技術(shù)的發(fā)展，晶體的頻率上限已從前些年的30MHz提升到200MHz。工作頻率一般按工作溫度25°C時(shí)給出。
　　可利用泛頻晶體實(shí)現(xiàn)200MHz以上輸出頻率的更高頻率晶振。另外，帶內(nèi)置PLL頻率倍增器的晶振可提供1GHz以上的頻率。當(dāng)需要UHF和微波頻率時(shí)，聲表波(SAW)振蕩器是種選擇。
　　2、頻率精度：頻率精度也稱頻率容限，該指標(biāo)度量晶振實(shí)際頻率于應(yīng)用要求頻率值間的接近程度。其常用的表度方法是于特定頻率相比的偏移百分比或百萬分之幾(ppm)。例如，對一款精度±100ppm的10MHz晶振來說，其實(shí)際頻率在10MHz±1000Hz之間。
　　它與下式意義相同：1000/10,000,000=0.0001=10-4或0.01%。典型的頻率精度范圍在1到1000ppm，以最初的25°C給出。精度很高的晶振以十億分之幾(ppb)給出。
　　3、頻率穩(wěn)定性 該指標(biāo)量度在一個(gè)特定溫度范圍(如：0°C到70°C以及-40°C到85°C)內(nèi)，實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率的背離程度。穩(wěn)定性也以ppm給出，根據(jù)晶振種類的不同，該指標(biāo)從10到1000ppm變化很大。　　
       4、老化 老化指的是頻率隨時(shí)間長期流逝而產(chǎn)生的變化，一般以周、月或年計(jì)算。它于溫度、電壓及其它條件無關(guān)。在晶振上電使用的最初幾周內(nèi)，將發(fā)生主要的頻率改變。該值可在5到10ppm間。在最初這段時(shí)間后，老化引起的頻率變化速率將趨緩至幾ppm。
　　5、輸出 有提供不同種類輸出信號的晶振。輸出大多是脈沖或邏輯電平，但也有正弦波和嵌位正弦波輸出。一些常見的數(shù)字輸出包括：TTL、HCMOS、ECL、PECL、CML和LVDS。
　　許多數(shù)字輸出的占空比是40%/60%，但有些型號可實(shí)現(xiàn)45%/55%的輸出占空比。一些型號還提供三態(tài)輸出。一般還以扇出數(shù)或容抗值(pF)的方式給出了最大負(fù)載。
　　6、工作電壓 許多晶振工作在5V直流。但新產(chǎn)品可工作在1.8、2.5和3.3V。
　　7、啟動(dòng)時(shí)間 該規(guī)范度量的是系統(tǒng)上電后到輸出穩(wěn)定時(shí)所需的時(shí)間。在一些器件內(nèi)，有一個(gè)控制晶振輸出開/閉的使能腳。
　　8、相噪 在頻率很高或應(yīng)用要求超穩(wěn)頻率時(shí)，相噪是個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。它表度的是輸出頻率短時(shí)的隨機(jī)漂移。它也被稱為抖動(dòng)，它產(chǎn)生某類相位或頻率調(diào)制。該指標(biāo)在頻率范圍內(nèi)用頻譜分析儀測量，一般用dBc/Hz表示相噪。
　　晶振輸出的不帶相噪的正弦波被稱為載波，在頻譜分析儀上顯現(xiàn)為一條工作頻率上的垂直線。相噪在載波之上和之下產(chǎn)生邊帶。相噪幅度表示為邊帶功率幅值(Ps)與載波功率幅值(Pc)之比，以分貝表示：
　　相噪的測量以載波的10kHz或100kHz頻率增量計(jì)算，但也用到低至10Hz或100Hz的其它頻率增量。相噪度量一般規(guī)整為與1Hz相等的帶寬。取決于載波的頻率增量，典型的相噪值在-80到-160dBc之間。
　　9、可調(diào)性(Pullability) 該指標(biāo)表度的是通過對一個(gè)壓控晶振(VCXO)施加一個(gè)外部控制電壓時(shí)，該電壓所能產(chǎn)生的頻率改變。它表示的是最大可能的頻率變化，通常用ppm表示。同時(shí)還給出控制電壓水平，且有時(shí)還提供以百分比表示的線性值。典型的直流控制電壓范圍在0到5V。頻率變化與控制電壓間的線性關(guān)系可能是個(gè)問題。
　　10、封裝 晶振有許多種封裝形態(tài)。過去，最常用的是金屬殼封裝，但現(xiàn)在，它已被更新的表貼(SMD)封裝取代。命名為HC-45、HC-49、HC-50或HC-51的金屬封裝一般采用的是標(biāo)準(zhǔn)的DIP通孔管腳。而常見的SMD封裝大小是5×7mm。源于蜂窩手機(jī)制造商的要求，SMD封裝的趨勢是越做越薄。
                                                                                    作者：康華爾電子