晶體晶振小結（XTAL與TCXO/VCXO/VC-OCXO等）-持續更新

晶體與晶振

晶體，完整專業術語稱之爲晶體諧振器，Crystal，簡寫爲XTAL。雙端輸出，不需供電。震盪電路在芯片內部。
晶振，完整專業術語稱之爲晶體振盪器，Crystal Oscillator，簡寫爲XO。單端輸出，需要供電。震盪電路在晶振內部。

晶體

石英晶體振盪器是利用石英晶體（二氧化硅的結晶體）的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱爲晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上塗敷銀層作爲電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱爲石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，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，這種物理現象稱爲壓電效應。
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爲某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱爲壓電諧振，它與LC迴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。

石英晶體封裝一般分爲貼片和插件兩種類型，插件石英晶體最常見的是圓柱晶振以及橢圓形晶體。貼片晶振封裝尺寸較多，主要有7.0x5.0mm、5.0x3.2mm、3.2x2.5mm、2.0x1.6mm、1.6x1.2mm，貼片晶振封裝尺寸不同在不同領域使用所展現的性能也不同。

選用晶體最關鍵的參數在以下幾點：

1. 封裝尺寸
2. 頻率（有些頻率較偏使用較少）
3. 精度偏差
4. 負載電容
5. 溫度使用範圍

晶振

1. 按製作材料分類：可分爲石英晶振和陶瓷晶振。
2. 按應用特性分類：可分爲串聯諧振型晶振和並聯諧振型晶振。
3. 按負載電容特性分類：可分爲低負載電容型晶振和高負載電容型晶振
4. 按晶振的功能和實現技術分類：可以將晶振分爲溫度補償晶體振盪器（TCXO）、壓控晶體振盪器（VCXO）、普通晶體振盪器（SPXO）、恆溫晶體振盪器（OCXO）。
5. 按封裝形式分類：可分爲玻璃真空密封型晶振、金屬殼封裝型晶振、陶瓷封裝型及塑料殼封裝型晶振。
6. 按外形分類：可分爲長方形晶振、圓柱形晶振、橢圓形晶振。
7. 按諧振頻率精度分類：可分爲高精度型晶振、中精度型晶振及普通型晶振。

恆溫晶體振盪器（OCXO）

恆溫晶體振盪器（OCXO，Oven Controlled Crystal Oscillator），利用恆溫槽使晶體振盪器中石英晶體諧振器的溫度保持恆定，將由周圍溫度變化引起的振盪器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振盪器。
OCXO是由恆溫槽控制電路和振盪器電路構成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋"構成的差動串聯放大器，來實現溫度控制。

OCXO的功耗分爲啓動功耗（啓動電流）和穩定功耗（穩定電流）

關鍵參數

1. 頻率準確度：按規定條件要求，在基準溫度下測試，晶體振盪器的頻率相對於其規定標稱值的最大允許偏差，即（f-f0）/f0；
2. 頻率－溫度穩定度：按規定條件要求，在規定溫度範圍內晶體振盪器輸出頻率的最大變化量相對於溫度範圍內輸出頻率極值之和的允許頻偏值，即±（fmax-fmin）/（fmax+fmin）；
3. 頻率老化：晶體振盪器輸出頻率隨時間的變化，通常用某一時間間隔的頻率來量度。如0至30天的總變化或1年內的預定總頻率變化等；
4. 工作溫度範圍：振盪器能正常工作。其頻率及其他性能均不超過規定的允許偏差的溫度範圍；
5. 穩定時間：振盪器從初始加電到穩定工作在規定極限值所需要的時間；
6. 相位噪聲：是指信號功率和噪聲功率的比率（C/N），是表徵頻率顫抖的技術指標。在對預期信號既定補償處，以1Hz帶寬爲單位來測量相位噪聲；
7. 頻譜純度：頻率穩定度的一種頻域量度，它通常用信號邊帶的噪聲功率譜中每赫茲帶寬的噪聲功率相對於總信號功率的分貝數來表示；
8. 諧波失真：用不希望的信號頻譜分量和有用信號頻率的諧波關係描述的非線形失真；
9. 再現性：振盪器經過規定的時間間隔，再加電一段時間後返回原來頻率的能力；
10. 輸出功率：施加規定電壓和規定負載下，振盪器消耗的電能，用電壓和消耗電流的積表示；
11. 輸出電壓（正弦波）：施加規定的電壓和負載，在規定的時間內達到穩定後，用RF表測得的有效值或用示波器測量電壓峯-峯值後換算的有效值。

溫度補償晶體振盪器（TCXO）

溫度補償晶體振盪器（TCXO，Temperature Compensate X’tal(Crystal) Oscillator），在晶振內部採取了對晶體頻率溫度特性進行補償，以達到在寬溫溫度範圍內滿足穩定度要求的晶體振盪器。一般模擬式溫補晶振採用熱敏補償網絡。補償後頻率穩定度在10-7~10-6量級，由於其良好的開機特性、優越的性能價格比及功耗低、體積小、環境適應性較強等多方面優點，因而獲行了廣泛應用。

其中T表示溫度，C表示補償。下圖是簡化的TCXO功能框圖。

補償網絡驅動牽引網絡，然後調整振盪器。圖3中展示的是補償/未補償的晶體頻率響應示意圖。

圖3 溫度補償

關鍵參數

瞭解TCXO基本參數，對於選擇合適型號有重要作用。下面分別對各項參數進行說明。

1、 Frequency tolerance（F_tol）：TCXO在常溫（+25 °C +/-2 °C）條件下的頻率偏差值，表明產品初始頻偏及離散性。

2、 Frequency / temperature coefficient（Fo-Tc）：對應工作溫度範圍，溫度帶來的最大頻率偏差，這是衡量TCXO 溫度補償功能的重要指標。這個指標也是區分精度等級的標準。

3、Frequency slope vs. Temp.：用於衡量TCXO 補償後的溫度頻率特性，單位溫度變化量對應的頻率變化大小。部分應用如GPS 對該參數要求較高。

4、Frequency / Load coefficient (Fo-Load) ：負載頻率特性，負載在額定條件下變化帶來的頻偏偏差，例如，+/-0.1ppm @ 10k Ω//10pF ±10% each.

5、Frequency / Voltage coefficient (Fo-Vcc) ： 供電電壓變化帶來的頻率偏差。例如，+/-0.1ppm @ VCC=2.8V ± 0.14V.

6、Frequency aging (f_age) ：一般給出標準使用條件下首年的老化數據。

7、 Output level (Vpp) ：輸出波形的幅度，根據接口模式的不同而不同。目前輸出支持CMOS， 正弦，削頂正弦等模式。

8、 Symmetry (SYM) ：波形佔空比。

9、 SSB Phase noise (L(f))：相位噪聲。評價頻率源(振盪器)頻譜純度的重要指標。
　
TCXO並非全是VC-TCXO，有些不是壓控的，如下圖所示。

數字補償晶振（MCXO）

數補晶振系列(MCXO)(用MCU技術進行溫度數字補償的晶振稱之爲MCXO.主要是運用MCU對溫度傳感器的溫度值採樣，將結果存儲在單片機中，並輸出補償數據信號到高精度D/A轉換，將它送給補償電路得到補償電壓，通過該補償電壓對振盪頻率進行補償以極大減少溫度變化對晶振穩定度的影響）

常規頻點:10.00MHZ 、12.00MHZ、12.80MHZ 、13.00MHZ、15.00MHZ、16.32MHZ、16.384MHZ、18.432MHZ、 19.2MHZ、19.44MHZ、 20.00MHZ、25.00MHZ、 30.72MHZ、32.768MHZ、38.88MHZ、40.00MHZ、77.76MHZ

輸出波形：
輸出波形:正弦波 、方波,對於方波有輸出電平、佔空比、上升/下降時間、驅動能力等指標，對於正弦波主要有諧波和輸出功率等指標要求

溫度穩定度：
由於MCXO採用了精密數字補償技術，從而達到較高的溫度特性。溫度特性在-40~85度，有0.02PPM、0.05PPM、0.1PPM、0.28PPM、0.5PPM等規格

相位噪聲（Typical,@10.00MHZ): 10hz -95dBc/Hz
100hz -120dBc/Hz
1Khz -138dBc/Hz
10Khz -145dBc/Hz
100Khz -148dBc/Hz

普通晶體振盪器（SPXO）

這是一種簡單的晶體振盪器，通常稱爲鍾振，其工作完全是由晶體的自由振盪完成。這類晶振主要應用於穩定度要求不高的場合。

壓控晶體振盪器（VCXO）

一種可通過調整外加電壓使晶振輸出頻率隨之改變的晶體振盪器，主要用於鎖相環路或頻率微調。壓控晶振的頻率控制範圍及線性度主要取決於電路所用變容二極管及晶體參數兩者的組合。

壓控恆溫晶振（VC-OCXO）

恆溫晶體振盪器和電壓控制晶體振盪器結合。

壓控溫度補償晶振（VC-TCXO）

溫度補償晶體振盪器和電壓控制晶體振盪器結合。

臺系晶振品牌：亞陶晶振、鴻星晶振、TXC晶振、加高晶振等等，日系晶振品牌：KDS大真空晶體、精工愛普生晶振、西鐵城晶振、京瓷晶振、NDK晶振等等。