晶振crystal原理与主要类型分析

石英晶体振荡器（以下简称晶振）是利用石英晶体压电效应而制成的器件，它的作用是输出高精度和高稳定度的脉冲信号，为整个电路提供时序基准。我们知道，现在电路中有越来越多的时序电路，它们之间的协同运行必须要有一个时间基准，才能统一一致的行动，就像电视剧里特种行动小队在出发前都要对下表一样，晶振在系统中起的作用就如同队长的手表，它如果稳定性或准确性不好，那整个系统就会错误频出，故障率很高。所以又把晶振称为单板的“心脏”。

石英晶体振荡器是由品质因数Q极高的石英晶体谐振器和振荡电路组成。晶体的品质因数、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。

国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（SPXO），电压控制式晶体振荡（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。

目前发展中的还有数字补偿式晶体振荡（DCXO）以及混合式的VOCXO振荡等。  

SPXO的内部结构图

OCXO的内部结构图     

普通晶体振荡器(SPXO)：是最基本的有源类型，其稳定性完全由石英晶体固有特性决定。其性能与其它无源谐振器相比有了提升，标准频率为1~100MHz，频率精度最高可达±10ppm。由于SPXO不包含任何频率补偿功能，因此是晶振中精度最差的一个种类，价格低廉，通常作为微处理器的时钟器件。在PCB布局时，SPXO器件应远离发热源。       

电压控制晶振(VCXO)：压控晶振中常使用AT切石英谐振器，通过在振荡回路中引入一个可调组件，来实现振荡频率随压控电压调节的功能。可调组件通常为变容二极管，通过外加电压使变容管的电容值发生改变，进而使谐振回路的谐振频率随之变化，达到压控的目的。它的特点：输出频率可以通过输入电压控制，一般控制范围为±50~±200ppm。

工作原理：通过改变外加调整电压的大小，能改变容性负载CL的值，从而实现频率的调整。由于VCXO的具有振荡频率可调整的特点，所以用频率—温度稳定度来定义环境温度变化对频偏的影响。由于VCXO不具备温度补偿功能，因此在PCB布局时，VCXO器件应远离发热源。VCXO除了电源电源外，还需要控制电压，以调整输出频率，当控制电压调整为中央电压时，VCXO输出标称的基准频率。VCXO常用在锁相环电路中。     

温度补偿晶振(TCXO)：如果固有频率与石英晶体的温度稳定性不能满足应用要求，可以采用温度补偿晶振。

TCXO是利用附件的温度补偿电路以减少环境温度对振荡频率的影响，其特点是频率精度远远高于SPXO和VCXO。工作原理：利用热敏电阻的温度敏感性，当温度变化时，热敏电阻的阻值和容性负载同时发生变化，而容性负载的变化会改变振荡频率，从而实现对振荡频率的修正。

通过改变振荡回路中的负载电容，使其随温度变化来抵消因温度环境而产生的频率漂移，TCXO的精度误差可控制在±0.5ppm~±2ppm。  

恒温控制晶振(OCXO)：具有烤腔的振荡器将晶体加热到高温，这样一来即使环境温度发生改变，晶体的温度也保持稳定。OCXO的频率偏差可低至0.025ppm。而这种稳定性的提升是以增加功耗为代价的，典型的OCXO可能需要0.5到5W的功率来维持内部温度。开机后，还需要等待温度和频率稳定下来的暖机时间大约为3分钟。

将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。频率精度为10-10~10-8量级。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。

总结：

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。OCXO晶振需要一定的稳定时间。如果要求时钟信号较高的稳定度，推荐使用TCXO和OCXO。