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赛思晶振正式发布!一文带你了解晶振及其工作原理与应用

更新时间:2023-11-22      浏览次数:3607
  晶振是电路板数字电路的"心跳",在电路板中随处可见,只要用得到处理器的地方就必定有晶振的存在,即使没有外部晶振,芯片内部也有晶振。
 
  晶振自身产生时钟信号,为各种微处理芯片作时钟参考,晶振相当于这些微处理芯片的心脏,没有晶振,这些微处理芯片将无法工作。晶振的作用就是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步。
 
  晶振主要运用于单片机、DSP、ARM、PowerPC、CPLD/FPGA等CPU,以及PCI接口电路、CAN接口电路等通讯接口电路。其他应用: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;CTVVTR用石英晶体谐振器;钟表用石英晶体振荡器。
 
  晶振是有源晶振的简称,也叫振荡器,完整专业术语称之为晶体振荡器,Crystal Oscillator,简写为XO。需要供电,振荡电路在晶振内部。
 
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  晶体则是无源晶振的简称,也叫谐振器,完整专业术语称之为晶体谐振器,Crystal,简写为XTAL。无需供电,需要配合振荡电路才能工作。
 
  一、晶振的工作原理:
 
  石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。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。
 
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  石英晶体有一个很重要的特性:如果给它施加交变电压,它就会产生机械振荡,反之,如果给它机械振动,它又会产生交变电压,这种特性叫压电效应。
 
  在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振动的幅度将急剧增加,这种现象称为压电谐振。它与LC回路的谐振现象十分相似
 
  一个石英晶振可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。这个二端网络有两个谐振点,对应两个谐振频率,即fs和fp,fp略大于fs。
  其中较低的频率fs为串联谐振频率,较高的频率fp为并联谐振频率。由于晶体自身的特性,这两个频率的距离相当接近,在这个极窄的频率范围内,晶振可以进一步等效为一个电感。
 
  因此,如果我们在晶振的两端并联上合适的电容,它就会组成一个并联谐振电路。将这个并联谐振电路再加到一个负反馈电路中,就可以构成正弦波振荡电路。
 
  而且,由于石英晶体化学性能非常稳定,热膨胀系数非常小,晶振等效为电感的频率范围很窄,振荡频率就非常稳定。它的谐振频率基本上只与晶片的形状、材料、切割方向等密切相关,再加上控制几何尺寸已经可以做到很精密,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化,这就是晶振电路频率稳定的原理。
 
  二、晶振主要分为以下四大类:
 
  (一)普通晶振Simple Packaged Crystal Oscillator(SPXO)
 
  是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器,在整个温度范围内,晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能,频率稳定度在10-5量级,一般用于普通场所作为本振源或中间信号,是晶振中价值较低的产品。其工作由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。
 
从原始石英晶体坯料到封装为最终的晶振图
 
  (二)温补晶振Temperature Compensated Crystal Oscillator(TCXO)
 
  温补晶振是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿,以达到在-40℃~105℃的宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器;频率稳定度在5*10-7~5*10-8量级。
 
  一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络,由温度感受器与频率补偿电路组成,通过温度感受器的电压变化控制VCO或变容二极管校准频率。由于其良好的开机特性、优越的性价比以及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点,因而得到了广泛应用。
  (三)压控晶振Voltage Controlled Crystal Oscillator(VCXO)
 
  压控晶振是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器。其频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合。主要用于锁相环路或频率微调。
 
  (四)恒温晶振Oven Controlled Crystal Oscillator(OCXO)
 
  采用精密控温,使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。中精度产品频率稳定度为10-8~10-9,高精度产品频率稳定度在10-10量级以上。
 
  利用恒温槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定,把由于周围温度变化而引起的振荡器输出频率变化的量,削减到最小。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。主要用作频率源或标准信号。
 
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  OCXO被称为晶体行业的TOP,尤其是OCXO用的晶体,需要优异的Q和老化,晶体行业J端的技术均用于了此行业,此行业可以说是晶体J端技术的集合体。其本质上可以说是一个小型电子系统。OCXO与驯服晶振(GPSDO)、铷原子钟一样重要,而且性价比更高,用途也更加广泛。随着5G应用普及,OCXO的需求快速上升,一个5G小基站至少需要一个OCXO,而宏基站可能需要超过十个OCXO。
 
  不同的特性决定了四种类型晶振的应用场合:如果需要设备即开即用,需选用SPXO、VCXO和TCXO。如果要求时钟信号有较高稳定度,推荐使用TXCO和OCXO。
 
  三、晶振的应用
 
  晶振的应用极其广泛,可以结合晶振主要参数进行具体应用,如输出频率 、频率稳定性、工作温度范围、输入电压和功率、输出波形、封装尺寸和外形等。
 
  科研与计量:原子钟、测量设备、遥测、遥感、遥控;
 
  工业领域:通讯、电信、移动/蜂窝/便携式终端、航空、航海、导航、仪器仪表、计算机、数字设备、显示器、磁盘驱动器、调制解调器、标识/认证系统、传感器;
 
  消费领域:手表与时钟、蜂窝与无绳电话机、普通电话机、呼叫器、音响设备、有线电视系统与电视机、PC、摄像机、业余无线电器材、玩具、医用装置与设备;
 
  汽车领域:引擎控制,立体声音响时钟,传感器,驾控计算机,GPS应用。
 
  晶振的市场需求在5G通信、物联网、智能汽车等应用领域拉动之下日趋上升,目前市场存在严重的供需失衡现象,晶振的供货短缺问题愈演愈烈。随着时代发展和芯片技术的进步,板卡的体积已经无法容纳传统OCXO的庞大体积,小型化的OCXO成为趋势。小型化OCXO具有着更小体积、更小功耗、更低成本等多重优势,能够替代所有低档晶振产品和80%的中档晶振产品。
 
  赛思在市场高压下砥砺前行,成功自研上线了O5050、O3627、O2525、O2522、O1409、O0907等一系列具有1E-11超高稳定性、-185dBc/Hz超低噪、1E-13超低秒稳等业内顶尖的G端OCXO系列产品,可支持5.00MHz~200MH的频率范围以及7*9~50*50的封装尺寸。具体的产品参数可来电或私信详询。
 
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  凭借公司在国内时频领域LX的研发创新实力,除了通用型的晶振产品,赛思也可根据客户特殊需求进行开发定制。
 
赛思晶振实物图
 
  赛思在电子元器件方面拥有丰富的产品线,除了G端OCXO系列产品,时钟芯片产品方面也有优异表现。2018年自主研发全数字锁相环ADPLL;2020年发布S款北斗/GPS时频同步SOC芯片、5G时钟发生器芯片; 2021年实现多款高性能时钟芯片量产销售。
 
  赛思自主研发的时频同步芯片与恒温晶振可服务于各个社会场景中,强势打破高中端时频电子元器件市场被国外厂家垄断的局面,为“强芯”战略和化替代贡献力量。
 
  赛思作为国内少数可以提供完整端到端解决方案的时频研发设计公司,拥有时频全产品系列线。主要产品包括高精度时钟芯片、晶振、各类NTP/PTP时间服务器、子母钟系统、北斗共视设备、卫星智能分路系统、时空安全隔离装置、授时板卡/模块、时统系统、测试平台及软件等。
 
  产品及解决方案实现全行业覆盖,包括元宇宙、VR/AR、人工智能、区块链、5G通信、工业物联网、北斗卫星导航、电力能源、金融证券、航空航天、科研院校、生物医疗、大数据、G端制造、汽车自动驾驶等领域。凭借自身过硬的研发创新能力一举开创了国内乃至全球多个领域时频同步方案的第一。
 
  未来,赛思将持续发力,立足博士后工作站、占比员工人数60%以上的研发团队,以及高校合作研发团队,聚合多方新鲜创新力,引L时频智造,为客户构建更加精准的世界,让世界看见中国时频芯力量!

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