硬件设计-时钟振荡器

摘要

壳式晶振

正常工作条件

摘要

本章主要介绍了晶振的分类、各项参数的意义、特点，同时也介绍了时钟抖动的成因、测量

方法、消除措施和典型滤波电路，使得我们可以正确地选择和使用晶振。

壳式晶振

如图所示，壳式晶振的名字来源于它内部元件外有一个密封的金属壳。通常是一个构建在

薄基板上的厚膜集成电路，壳式晶振在现代数字设计中普遍存在。一些新产品换成了便宜的塑料

外壳。

现有的许多晶振电路中，压电石英晶体振荡器在高品质的数字设备中最常见。

和数字电路的延时相比，压电的时钟非常准确，因此我们有时忽略了时钟频率的变化。， TCLK

的 0.01% 的变化几乎不需要调整其他的时沿参数。在只使用了一个时钟的简单状态

机中，实际上忽略晶体时钟的变化，系统工作正常。很多复杂的数字体系结构中，对时钟性能要求非常严格。比如，在两个用独立时钟的数字设

备之间传送数据就是这样。假如我们用一个 FIFO 来同时启动这两台设备， FIFO 会以一个与两台设

备的时钟差异成比例的速度增大或收缩。任何涉及到两个时钟频率差异的设计，都需要特别精确

或稳定的晶振。军事上或其他高可靠性应用有它们独特的需求，特别的军用需求涉及到晶振对振动、震动、湿度、高温的反应。有些还需要对晶振进行加速老化、筛选或者其他的后期测试。这些测试增加了产品成本，绝大多数商业级晶振的生产厂家都不用这些测试。如果你不需要特别的性能，就不要使用这种特殊的晶振，可以找个便宜点的商业级型号。归纳了压电石英晶振的主要数据手册参数，标明了哪种参数对不同的应用特别重要，应用分类包括通信设备、军用设备以及表面贴。以下是对每个参数的讨论分析。

频率参数指的是正常频率，或者中心频率，这是在室温、正常工作电压及无老化的情况下得

到的参数，壳装的晶振频率范围可从 10KHz 到 300MHz ，而晶振里面的晶体基频最高也只有

40MHz 。厂家通过过滤和增强晶体基频的谐波，合成得到了高频时钟。频率的单位一般是 Hz （或

者 KHz 、 MHz ）。实际的操作频率会有漂移，高或低于中心频率，手册中总是在稳定度的前提下给出频率参数。稳定度的单位有两种：百分之几（很差的情况）和ppm （较好）， 100ppm ＝ 0.01% ，有时频率参数之后会紧随稳定度给出，如：50.00MHz ± 100ppm 。

有一段时间，厂家习惯通过晶振频率参数后面所带的 0 的数目来表征它的精度和稳定度，例

如：一个标为 4.00000MHz 的晶振会被认为比一个 4.00MHz 的好得多。现在已经不这样了，小数点

后面的 0 的数目没有任何意义，可以不予考虑。稳定度这个指标包含了各种条件引起的变化，温度、制造过程、工作电压以及老化，这个指标表明了在这四个参数的各种允许的组合下所引起的最差的漂移量。在这四个参数中，温度的变化所引起的漂移是最大的。为了消除温漂，数字电压晶振形成了至少三种性能增强的类型：非补偿晶振、温补晶振和恒温晶振。非补偿晶振的输出频率随着其内部晶体正常的谐振频率变化而变化。温补晶振也叫TXCO，内部有补偿温漂的电路，一般比较贵。恒温晶振最为特殊，其内部晶体处于一个恒温器里，能够保持精确的工作温度（有些设计将晶体放置在两个嵌套的恒温器内，这样能够获得更好的温度稳定性，内部的恒温器和温控电路都包含在外面第一个恒温器中，这种晶振称为双恒温晶振。）这种恒温晶振在温度变化范围比较大的时候能提供最好的稳定度。图12.2 表明了在温度变化时，这三种级别晶振的稳定性能。

老化一般都是和其他参数分开来讨论其对稳定度的影响的。因为老化对任何晶体频率漂移的

影响每年只有几个 ppm 。 50 年之后，我们才能有很大的漂移，而商业制造商有时一个产品的生命周

期仅仅只有几年，因此在稳定度指标大于 100ppm 时，就不考虑老化的影响。海盗宇宙探测器小组

的工程师们却不这么认为，老化的单位是 ppm/ 年，新的晶体老化速度比旧的要稍快些，指标上会

这样写：“第一年 5ppm ，此后每年为 3ppm 。”一个真正好的拥有昂贵包装的晶体，它的老化速度

可以低到 1ppm/ 年。当工作电压变化时，晶振的频率也会发生变化。芯片手册上把这些变化和稳定度指标合在一起提出，有时电压灵敏度也被单独提出。如果单独提出，其单位是ppm/volt 。当一个系统电压的变化范围和晶振所列出的工作范围不同时，我们可以用ppm/volt 的数值来计算在所能得到的工作电压范围之内，频率的变化会是多少。