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  • 时钟晶体振荡器的使用与终端设计【2019-09-05】

    在当今的高性能系统中,需要一个出色的时钟源。随着专用集成电路(ASIC)的速度和性能达到更高的限制,分配该时钟源以驱动多个设备的需求变得更加困难。由于相关的快速边沿速率,系统中部署的较高频率导致长PCB迹线表现得像传输线。保持平衡系统需要适当的端接技术来实现应用中的跟踪路由。本应用笔记将重点介绍推荐的终止技术;关于输出负载的评论,并提供一些设计师要考虑的布局指南。

    传输线理论简介

    通常,大多数时钟源具有低阻抗输出。当这些器件用于驱动具有大阻抗的负载时,存在阻抗不匹配。根据应用条件,此阻抗不匹配会导致负载产生电压反射,从而产生时钟波形中的步进,振铃以及过冲和下冲。这可能通过降低负载处的时钟信号,错误的数据时钟和产生更高的系统噪声而导致系统性能不佳。

    为了减少电压反射,需要正确终止信号迹线。适当终止的设计考虑因素可以用两个语句来概括:

    1.使负载阻抗与线路阻抗相匹配

    2.使源阻抗与线路阻抗匹配

    对于大多数设计,第一种说法是首选方法,因为它消除了返回时钟源的反射。这样可以减少噪音,电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)。

    下图显示了阻抗不匹配对时钟源的影响

     

    常用终止技术

    如上所述,为了减少电压反射,必须正确地终止迹线。 传输线的四种基本端接技术是串联,并联,戴维宁和AC

    系列终止

    串联终端消除了时钟源的反射,有助于保持信号质量。 这最适合驱动少量负载的TTL器件,因为时钟输出阻抗小于传输线特性阻抗。 图1显示了一系列终端。 电阻尽可能靠近时钟源放置。 R的典型设计值为10Ω75Ω

     

    R的值可以大于阻抗差,以便产生稍微过阻尼的状态并且仍然消除来自时钟源的反射。

    系列终端的主要优点是:

    1.简单,只需要一个电阻器

    2.功耗低

    3.在驱动高容性负载时提供电流限制;这还可以通过减少接地反弹来改善抖动性能

    系列终止的主要缺点是:

    1.增加负载信号的上升和下降时间;这在一些高速应用中可能是不可接受的

    2.无法驱动多个负载

    平行和戴维宁终结

    接下来的三种终端技术可提供更清晰的时钟信号,并消除负载端的反射。这些终端应尽可能靠近负载放置。

    2描绘了并行终端。并联终端消耗的功率最大,不建议用于低功率应用。它也可能改变占空比,因为下降沿将比上升沿更快。它比串联终端具有一个优点,即上升和下降时间的延迟大约是一半。

     

    如图3所示,戴维宁终端将比并联终端消耗更少的功率,并且通常用于PECL应用,50Ω线路匹配至关重要。 R的总值等于传输线的特征阻抗。 如果需要过阻尼状态,则R的总值可略小于特征阻抗。 戴维宁终端的主要缺点是每条线路需要两个电阻器,并且在终端附近需要两个电源电压。 建议不要将此端接用于TTLCMOS电路。

     

    AC终止

    AC端接,如图4所示,在并联支路中增加了一个串联电容。 由于RC时间常数,电容会增加时钟源的负载和延迟,但在稳态条件下将消耗很少或没有功率。 通常不建议使用此终端,因为它会通过增加传播延迟时间来降低时钟信号的性能。 为了保持有效终止,C L的值不应小于50pF。 较大的C L值将允许时钟边沿的快速转换,但随着电容器值的增加,较高的电流电平将通过,从而导致功耗的增加。 选择大于走线阻抗的R L值,以考虑负载输入阻抗的泄漏。

     

    输出负载简介

    应注意不要使时钟源过载。 如果使用单个时钟源来驱动多个负载,则如果总负载超过时钟源的驱动能力,则会发生波形劣化。

    过载的一些常见症状是波形削波,对称不平衡,信号幅度减小以及上升和下降时间值的变化。 通常随着时钟频率的增加,源驱动更高负载的能力将降低。 请务必参考时钟源规范以获得最大负载能力。

    下图显示了重载对时钟源的影响。

     

    通用时钟输出类型

    CTS时钟振荡器设计已经开发出来,具有各种封装选项,输入电压和输出类型。

    HCMOSHCMOS / TTL兼容

    今天的CTS设计提供“双兼容”振荡器,它们是能够驱动TTL应用的HCMOS输出类型。 由于转换时间较短,这些设备固有地具有更大的过冲和欠冲。 这可能不适合具有严格EMI要求的旧TTL设计。

    CTS生产两种流行的HCMOS / TTL兼容时钟振荡器CB3 / CB3LV和型号636

    下图显示了典型的HCMOS测试负载配置和波形参数。

     

    LVPECLLVDS

    HCMOS逻辑技术相比,CTS LVPECLLVDS逻辑输出设计具有许多优势。

    LVPECLLVDS技术从正电源获得其工作功率,从而实现与负载点处的HCMOS逻辑接口的必要兼容性。 这些逻辑输出还具有:

    1.降低系统抖动由于较小的特征过渡区域

    2.上升和下降时间更快

    3.提供差分输出减少排放至关重要

    4.能够直接驱动50Ω传输线

    5.降低高频时的电源消耗

    CTS Model 635提供两种输出类型的选项。

    下图显示了典型的LVPECLLVDS测试负载配置和波形参数

     

    布局指南

    在印刷电路板布局过程中采用良好的设计实践将最小化先前讨论的信号劣化。 PCB设计的一些常见指南是:

    1.将时钟源物理定位在尽可能靠近负载的位置

    2.限制时钟信号的走线长度

    3.不要将时钟信号靠近电路板边缘

    4.尽量避免在时钟信号路由中使用过孔。 过孔会改变走线阻抗,从而引起反射。

    5.不要在电源和接地层上布设信号走线

    6.避免在轨迹中出现直角弯曲,如果可能,请保持直线行程。 如果需要弯曲,请使用两个45°角或使用圆形弯曲(最佳).

     

    7. V CC与时钟源地之间的去耦电容对于降低可能传输到时钟信号的噪声至关重要。 这些电容必须尽可能靠近V CC引脚。

    8.为避免串扰,请在多个时钟源和高速开关总线之间保持适当的间隔。

    9.差分跟踪路由应尽可能接近,以获得高耦合系数。 路由的长度应相等,以避免阻抗不匹配,从而导致不同的传播延迟时间。

    10.使用单个时钟源驱动多个负载时,请考虑拆分路由。 使各个布线长度尽可能相等。

     

    结论

    本应用笔记介绍了使用驱动各种负载的时钟源的应用的正确终端技术。 它还概述了用于生成可靠应用程序设计的布局考虑因素 所有这些技术都力求最大限度地减少降低时钟信号的条件,从而导致系统性能不佳。

  • 高精度1612小尺寸晶体【2019-08-23】

    开发的1.6×1.2 mm GT-Cut石英晶体单元满足低功率,高精度,紧凑和薄型单元在低MHz频率下工作的电流需求。

    日本,2014131日:RIVER ELETEC(总部位于日本山梨县的Nirasaki)开发出一种超紧凑,低频率的MHz石英晶体单元。它以更小的封装(不超过1.6×1.2×0.33 mm)提供GT切割石英晶体的出色频率 温度特性,适用于频率范围为820 MHz的应用。开发利用了我们对10 MHz范围GT切割元件的持续研究以及精密光刻技术的使用年限。

    GT-cut石英晶体单元最初是在20世纪40年代开发的,具有出色的频率 温度特性,在空白制造方面面临挑战,限制了批量生产。另一方面,对于AT切割石英晶体单元,近年来已经转向支持更高频率以响应更小封装的趋势,从而需要在较低MHz频率下工作的较小的低功率单元。

    GT切割石英晶体单元的优点

    1.紧凑,薄型单元,工作频率较低

    GT切割石英晶体单元的宽度延伸模式(图1)允许封装设计不受毛坯尺寸的限制,从而可以在较低的MHz频率下工作,显着更小,更薄的单元,传统AT切割难以实现的特性石英晶体单元。 (参见表1.GT切割石英晶体单元的等效电路常数与AT切割单元的等效电路常数相当。

    1612xcc1

    1:石英晶体单元封装的比较

    1612xcc2

    1:结合主要(宽度 - 延伸)和次要(长度 - 延伸)振动的模式

    1612xcc3

    比较:GT-Cut石英晶体单元(左)和AT-Cut石英晶体单元(右)

    2.在宽温度范围内稳定的频率

    GT切割石英晶体单元具有非常优越的频率 - 温度特性(图2)。 该开发产生的单位在-20至+ 70°C范围内具有±3 ppm的显着值,在-40至+ 85°C范围内具有±5ppm的性能,而AT切割石英晶体单元则无法实现这一性能。

    1612xcc4

    3.可以低功率驱动

    由于智能手机,平板电脑和可穿戴电子产品采用电池供电,因此低功耗是电子元件的基本特征。鉴于使用AT切割石英晶体单元难以实现稳定的低功率振动,这些元件通常以10μW或更高的速度驱动。相比之下,GT切割石英晶体单元允许设计具有最佳轮廓,尺寸和厚度的振荡器,以最小化振动损失并确保稳定的振荡,即使在5μW或更低的驱动下也是如此。

    电池供电的移动设备通常设计为间歇运行,以帮助最大限度地降低功耗。这种装置需要能够快速恢复振荡的晶体。与传统的紧凑型AT切割石英晶体单元相比,GT切割单元的启动振荡时间约为550μs的两倍(与同一振荡电路中的12 MHz FCX-05晶振相同且频率相同)。

    GT切割石英晶体单元融合了其他领域的丰富技术专长。

    1.轮廓模式振动的设计专业知识

    RIVER ELETEC拥有开发利用轮廓模式振动的产品的历史,包括Lame模式共振器。我们为各种振动模式积累了大量的技术和设计专业知识,GT切割石英晶体单元充分利用了这些知识。这些单元在宽度延伸模式下使用轮廓模式振动。

    2.高精度光刻

    GT切割石英晶体采用数微米(μm)的精密制造生产,采用通过生产音叉石英晶体单元而精制的精密光刻技术。

    3.电子束密封,具有极高的可靠性

    GT切割晶体采用专有的电子束密封技术,通过金属盖密封在陶瓷封装上进行空气密封。这种保护性密封通过在封装内保持高真空条件来确保高芯性能,并确保其他RIVER CRYSTAL产品具有同样出色的可靠性。

    时间表

    1612xcc5

    样品出货计划于2014年2月开始。将这些产品作为频率振荡源提供给许多需要使用AT切割石英晶体单元难以实现的电子设备 - 即在更宽的温度范围内保持稳定的频率,超紧凑,低配置单元工作在较低的MHz频率和低功耗 - 我们继续在各种频率范围内扩展我们的产品线。 

  • 陶瓷谐振器的共振原理【2019-07-23】

    等效电路常数:图1.2显示了陶瓷谐振器的符号。端子间的阻抗和相位特性如图1.5所示。该图说明陶瓷谐振器在提供最小阻抗的频率fr(谐振频率)和提供最大阻抗的频率fa(反谐振频率)之间的频率范围内变为电感性的。它在其他频率范围内变为电容。这意味着双端子谐振器的机械振荡可以用等效电路代替,该等效电路由串联和并联谐振电路的组合构成,其中包括电感器L,电容器C和电阻器R.在谐振频率附近,等效电路可以表示如图1.4所示。

    frf a频率由压电陶瓷材料及其物理参数决定。等效电路常数可以从以下公式确定:

    fr

    考虑到frffa的有限频率范围,阻抗给出为Z = R e + jwL eLe= 0),如图1.5所示。 陶瓷谐振器应当作为具有损耗R e(Ω)的电感器L eH)操作。

    1.1显示了陶瓷谐振器和石英晶体谐振器之间等效电路常数的比较。 注意,电容和Q m存在很大差异,这导致实际操作时振荡条件的差异。 附录中的表格显示了每种陶瓷谐振器的等效电路常数的标准值。

    除了期望的振荡模式之外,存在用于其他振荡模式的高次谐波。 存在这些其他振荡模式是因为陶瓷谐振器使用机械共振。 1.6显示了这些特征。

    1.1

    1.2-7

    基本振荡电路

    通常,振荡电路可分为以下三种类型:

    1.积极的反馈

    2.负电阻元件

    3.在陶瓷谐振器,石英晶体谐振器和LC振荡器的情况下,传输时间或相位的延迟,正反馈是首选电路。

    在使用LC的正反馈振荡电路中,通常使用ColpittsHartley的调谐型反耦合振荡电路。 见图1.7

    在图1中。 在图7中,使用晶体管,它是最基本的放大器。

    振荡频率与Colpitts电路中由LC L1C L2组成的电路的谐振频率大致相同,或者由Hartley电路中的L 1L 2C组成。 这些频率可以用下面的公式表示。

    colpilts

    在陶瓷谐振器振荡器中,利用陶瓷谐振器代替电感器,利用谐振器在谐振和反谐振频率之间变为电感的事实。 最常用的电路是Colpitts电路。

    这些振荡电路的工作原理如图2.1所示。 满足以下条件时发生振荡。

    环路增益:G =α•β≥1

    相位量:φT=φ1+φ2= 360°•nn = 1,2...

    Colpitts电路中,使用φ1= 180°的反转,并且在反馈电路中用LC反转φ2= 180°。 用陶瓷谐振器的操作可以认为是相同的。

    2.3

    应用

    典型的振荡电路:陶瓷谐振器最常见的振荡器电路是Colpitts电路。电路的设计随应用和要使用的IC等而变化。尽管电路的基本配置与晶体控制振荡器的基本配置相同,但机械Q的差异是由电路常数的差异引起的。一些典型的例子如下。

    设计考虑因素:使用逆变器门将数字IC配置为振荡电路变得越来越普遍。下页的图3.1显示了带CMOS反相器的基本振荡电路的配置。

    INV.1用作振荡电路的反相放大器。 INV.2用作波形整形器,也用作输出的缓冲器。

    反馈电阻R f在逆变器周围提供负反馈,以便在通电时振荡开始。

    如果R f的值太大而输入逆变器的绝缘电阻很低,则由于环路增益的损失,振荡将停止。而且,如果R f太大,则可以将来自其他电路的噪声引入振荡电路。显然,如果R f太小,则环路增益会降低。 1MΩ的R f通常与陶瓷谐振器一起使用。

    阻尼电阻Rd具有以下功能,但有时省略。它使逆变器和反馈电路之间的耦合松动;从而减小逆变器输出侧的负载。此外,反馈电路的相位稳定。它还提供了一种降低高频增益的方法,从而防止了寄生振荡的可能性。

    负载电容:负载电容C L1C L2提供180°的相位滞后。应根据应用,使用的IC和频率正确选择这些值。如果C L1C L2的值低于必要值,则高频环路增益会增加,从而增加了寄生振荡的可能性。这特别有可能在厚度振动模式所在的4-5MHz附近。

    该电路中的振荡频率(f OSC)大致由下式表示。

    fosc

    其中,f r:陶瓷谐振器的谐振频率。

    C1:陶瓷谐振器的等效串联电容。

    C0:陶瓷谐振器的等效并联电容。

    C L = C L1C L2 / C L1 + C L2

    这清楚地表明振荡频率受负载电容的影响。当需要对振荡频率的严格公差时,应注意定义其值。

    CMOS反相器:CMOS反相器可用作反相放大器; 4069 CMOS组的单级型最有用。由于增益过大,环形振荡或CR振荡是使用三级缓冲型逆变器(如4049组)时的典型问题。 ECS采用RCA CD4O69UBE作为CMOS标准电路,如图3.2所示。

    HCMOS逆变器电路:最近,高速CMOSHCMOS)越来越多地用于允许微处理器的高速和低功耗的电路。

    HCMOS逆变器有两种类型:非缓冲74HCU系列和带缓冲器的74HC系列。 74HCU系统是陶瓷谐振器的最佳选择。见图3.3

    TTL逆变器电路:由于阻抗匹配,负载电容C L1C L2的值应大于CMOS的值。此外,反馈电阻R f应小至几KΩ。注意,需要偏置电阻R d来正确确定DC工作点。

    频率相关:振荡器电路如图所示

    以下页面是ECS标准测试电路。这些电路中使用的逆变器被广泛接受为工业标准,因为它们的特性代表了同一系列(CMOS / HCMOS / TTL)中微处理器中的特性。当然,应用将使用不同的IC,并且可以预期,振荡器电路特性将因IC而异。

    通常,这种变化可以忽略不计,并且可以简单地通过将处理器分类为CMOSHCMOSTTL来选择陶瓷谐振器部件号。

    鉴于标准ECS陶瓷谐振器在下页中对测试电路进行100%频率分类,因此将标准电路的振荡频率与客户指定电路的振荡频率相关联相对容易。

    例如,如果使用的微处理器是摩托罗拉6805,频率为4MHz,那么正确的ECS部件号将是ZTA4.OMG(频率分类到CD4O69UBE CMOS测试电路)。电路参数应选择如下:

    c1r1

    通过实际设置该电路以及下面图3.1所示的标准测试电路,可以确定使用带有6805处理器的ZTA4.OMG时可以预期的平均偏移。 实际数据如下所示:

    resonator

    根据这些数据,可以预测标准ZTA4.00MG谐振器的频率偏离原始的4.00MHz±0.5%初始容差约+ 0.06%。 这当然是一个可以忽略不计的转变,不会以任何方式影响电路性能。

    3.1

    3.2

    3.3

    5.1 各种IC / LSI电路:

    通过充分利用前面提到的特征,陶瓷谐振器与各种IC组合在一起被广泛应用。以下是一些实际应用示例。

    微处理器的应用:陶瓷谐振器是各种微处理器的最佳稳定振荡元件:4位,8位和16位。由于微处理器参考时钟所需的一般频率容差为±2% -  3%,因此标准单元满足此要求。向您的ECSLSI制造商询问电路常数,因为它们随频率和使用的LSI电路而变化。图A显示了具有4位微处理器的应用程序,图B显示了具有8位微处理器的应用程序。

    遥控器IC:遥控器越来越成为一种常见功能。振荡频率通常为400-500 KHz455KHz是最受欢迎的。该455KHz被载波信号发生器分频,从而产生大约38KHz的载波。

    VCO(压控振荡器)电路:VCO电路用于电视和音频设备,因为信号需要与广播电台发送的导频信号同步处理。最初使用振荡电路,例如LCRC;然而,现在使用陶瓷谐振器,因为它们不需要调整并且具有优于旧型电路的稳定性。用于VCO应用的谐振器需要具有宽的可变频率

    其他:除上述用途外,陶瓷谐振器广泛用于IC用于语音合成和时钟生成。对于一般的定时控制应用,振荡频率通常由用户根据IC制造商推荐的工作频率范围选择。用给定的IC选择这个频率将决定什么电路值和哪个陶瓷谐振器是合适的。选择陶瓷谐振器部件号时,请联系您当地的ECS销售代表。

    如前所述,陶瓷谐振器有许多应用。一些更具特定应用的振荡器电路要求为该应用和IC开发独特的陶瓷谐振器。

    ABC

    振荡上升时间

    振荡上升时间是指在激活IC的电源时振荡从瞬态区域发展到稳定区域的时间。使用陶瓷谐振器时,它定义为在稳定条件下达到振荡电平的90%的时间如图6.1所示。

    上升时间主要是振荡电路设计的函数。通常,较小的负载电容,较高频率的陶瓷谐振器和较小尺寸的陶瓷谐振器将导致较快的上升时间。随着谐振器的电容减小,负载电容的影响变得更明显。图6.2显示了对负载电容(C L)和电源电压的上升时间的实际测量。值得注意的是,陶瓷谐振器的上升时间比石英晶体快一到二十倍。 (这一点在图6.3中用图解说明)

    启动电压:启动电压是指振荡电路可以工作的最小电源电压。所有电路元件都会影响启动电压。它主要取决于IC的特性。图6.4示出了相对于负载电容的起始电压特性的实际测量的示例。

    6.1-3

    陶瓷共振器振荡特性

    下面描述基本电路中振荡的一般特性。有关特定类型的ICLSI的振荡特性,请与泰河电子联系。

    -20°C+ 80°C的范围内,温度变化的稳定性为±0.30.5%,尽管根据陶瓷材料的不同而略有不同。负载电容(C L1C L2)对振荡频率的影响相对较高,可以根据f OSC的公式计算.ffC。由于电容,变化约±0.1

    工作电压范围内的偏差为±0.1%。 f OSC。也随IC的特性而变化。

    电源电压变化特性:有关给定振荡频率的实际稳定性测量示例,请参见下面的图1

    振荡水平:以下是振荡水平对温度,电源电压和负载电容(C L1C L2)的实际测量示例。振荡水平要求在很宽的温度范围内保持稳定,并且温度特性应尽可能平坦。除非IC具有内部恒定电压电源,否则这种变化与电源电压呈线性关系。

    figure 1

    figure 2


  • 在烤箱控制晶体振荡器中的老化与回收【2019-06-24】

    石英晶体振荡器广泛用作各种电子系统中的频率和时间标准。虽然石英晶体振荡器非常适合于任务,但在要求苛刻的应用中的最佳性能,如同任何精密器件一样,需要深入了解器件特质。

    衰老是振荡器的长期频率漂移。虽然精心设计和制造可以最大限度地减少运输时的老化,但振荡器的使用寿命会持续老化,并受到断电存储的环境和持续时间的影响。本文重点介绍了造成老化的物理过程,并解释了为何在进行断电存储后,在振荡器频率调整之前强烈建议重新稳定时间。

    老龄化有两个基本原因。首先,石英晶体谐振器的频率受电极质量的强烈影响。电极或石英毛坯表面的污染增加了谐振器质量,从而降低了谐振频率。水蒸气是这种污染的罪魁祸首,尽管氧气和碳氢化合物也会引起问题。用于将谐振器安装在其外壳中的导电粘合剂的除气也是一个因素。结晶石英和金属电极都是亚微观尺度的多孔,有大量的小空腔,含有污染物。污染始终存在于某种程度,但生产过程如臭氧清洗,高温真空烘烤,以及使用硬真空可以将污染影响降至几乎可以忽略的程度。

    如果污染物保留在原位,污染就不会成为问题。不幸的是,新晶体上的污染,特别是安装在高温下操作的恒温晶体振荡器中的晶体,在蒸发,吸附,冷凝和机械加速的影响下移动。结果,新的振荡器迅速老化,直到污染物运动稳定。

    机械应力是振荡器老化的第二个原因。晶体是原子的有序晶格,其形状与原子间距一起决定了晶体的物理性质,如介电常数和弹性。许多这些特性影响共振频率。机械应力使原子晶格变形,稍微改变原子间距,从而稍微改变晶体的物理性质。如果受到应力的晶格恰好是石英晶体谐振器,则结果是谐振频率略有变化。因此,AT切割谐振器暴露于机械应力移位频率。双旋转晶体(例如IT切割或SC切割)部分地受到应力补偿,并且受到应力的影响较小。因此,双重旋转切割的再稳定时间较短,但这些谐振器制造起来要困难得多,并且比普通的AT切割谐振器更昂贵。

    石英晶体谐振器中的应力有很多来源;来自安装夹的弹簧作用的安装应力,导电粘合剂在设定时的收缩,来自制造期间的切割和研磨操作的残余应力以及差异的热膨胀和收缩。最后一个因素在烘箱振荡器中特别有意义,因为每次施加功率时晶体从室温加热到约80℃,并且因为晶体石英中的热膨胀系数在每个轴上是不同的。

    由于石英传导热量很差,热梯度很陡并且消散得很慢。当谐振器的边缘与安装夹接触时,过热的AT切割谐振器在预热期间会受到强烈的应力引起的频率瞬变。比中心。这个瞬态在图中可见,因为在开启后45分钟出现了尖锐的频率下冲。刚刚开启后新振荡器中的残余应力达到最大值,在操作的前几天缓慢放松,直到达到平衡条件。

    对于新的振荡器,来自污染物再分配和应力松弛的频率变化高达每天十亿分之几。 VECTRON晶振的标准做法是燃烧或老化新的振荡器,同时持续监测频率,直到日常老化速率稳定。所需的时间取决于振荡器频率和晶体切割以及指定的老化速率。典型的老化持续时间从不到一周到几周不等。

    当一个新的“老化”振荡器关闭时会发生什么?当冷却时,静电振荡器重新获得机械应力,应力的大小是炉温和环境温度之差的函数。尽管在较低温度下应力松弛率大大降低,但这种应力最终会消失。

    当振荡器关闭时,污染物开始再次向新的平衡状态移动。如前所述,在较低温度下重新分配的速度要小得多。如果断电时间很短,并且存储温度适中,则振荡器将恢复到接近于在短暂预热期后在装运时测量的老化速率。实际频率接近 - 但不相同 由于滞后并且因为在断电期间老化持续,但不一定是相同的速率。

    延长的断电间隔,或(根据对受试者的一些参考)在断电间隔期间暴露于极端温度允许更大程度的应力松弛和污染物重新分布。在这种情况下,在原始生产老化期间获得的一些老化稳定性丢失。因此,当重新施加功率时,需要更长的再稳定时间来达到先前的老化速率。重建期间有所不同。 24小时后对三次泛音AT切割恒温振荡器的再稳定化表示非应力补偿晶体的非常好的性能。甚至少量晶体污染的存在将显着延长再稳定期。

    这在实践中意味着什么?首先,如果可能的话,应该持续为恒温振荡器供电。如果电源中断是不可避免的,请注意振荡器将比正常预热需要一些时间才能恢复到先前的老化速率,并且由于老化和滞后,不太可能返回到完全相同的频率。 AT切割谐振器的迟滞不太可能比10-8中的几个部分好得多。重新稳定期间的频率调整不是一个好主意。凭借其设计精密恒温振荡器的丰富经验,Vectron晶振能够协助确定适当的再稳定期,特别是在断电期超过几天且需要更长的再稳定期的情况下。

  • 石英晶振系列解决方案【2019-04-29】

    从早期的无线电到雷达,以及现在的数字计算,每个电路都需要一个时钟或心跳来指导其功能。时序控制从低功率到高精度的各种应用中的处理速率,数据连接和RF传输频带。时间已成为一个多元化的工程领域。考虑到可以设计时钟电路的多种方式以及每年引入该行业的许多进步,工程师应该定期重新考虑其时序考虑因素。以下是基本计时设备列表以及使用它们的最佳时间。

    1.LC谐振器

    LC谐振器是最简单和常用的定时电路,由放大器,电感器和电容器组成。主要优点包括低成本和易于集成,特别是在高频率下。然而,它不是非常准确,并且随温度变化很大。这种可变性提供了一个额外的属性:宽拉范围。因此,在开发小型或高度集成的压控振荡器(VCO)时,LC是首选的谐振器。这些振荡器在PCB或片上设计用于跟踪或锁定其他频率。由于温度可以使频率+/- 10,000 ppm或更高,因此LC不够精确,无法单独运行。

    2.陶瓷谐振器

    陶瓷谐振器的主要优点是成本。如果您正在寻找最低成本和稳定的解决方案,那么这项技术可以帮助您实现这一目标。不要指望在整个温度范围内稳定性小于+/- 1000ppm。该谐振器成本低,但不能用于精确或甚至部分精确的定时。玩具,低端设备和低端MCU应用程序等通用应用程序可以摆脱这种不精确的程度。如果您需要更高的精度,其他谐振器将帮助您。

    3.石英晶体

    石英晶体因其自补偿温度稳定性,出色的初始精度和适中的成本而成为时间之王。作为谐振器,它具有高Q值,可实现极低的在线噪声。批量生产已经对这些设备的精度和成本进行了微调,因此价格适中的晶体现在可以实现+/- 20ppm+/- 50ppm的总体精度。它具有出色的稳定性,是当今许多连接协议的理想时间基础,从Wi-FiZigbee和蓝牙到汽车LIN / CAN,以太网,UART和工业应用。定时MCU和使用石英晶体的处理器提供的精度可以满足常见的连接协议。但是,有些协议需要更高的性能。晶体的精度可以提高。

    4.石英晶体振荡器XO

    石英晶体振荡器集成了振荡器芯片和石英晶体。它提供了石英的准确性和低噪声优势,但降低了电路板走线引起的可变性。在某些情况下,振荡器芯片还将基本石英频率乘以应用所需的频率。在非常低噪声的系统中使用XO而不是裸石英晶体是必要的,例如高速通信,光学互连,光学模块,测试和测量以及先进的RF应用。XO以高频率提供低噪声,这对于使用普通晶体来说是难以实现的。高性能系统中使用的顶级频率如100MHz156.25MHz312.5MHz需要使用XO提供的差分LVPECLLVDSHCSLCML信号进行调理。

    5.温度补偿晶振TCXO

    虽然XO提供缓冲和频率转换,但它们跟踪石英晶体毛坯的精度。若干通信和电信应用,例如点对点RFGNSS / GPS,移动电话,LPWAN网关和其他精密RF连接系统,需要在整个温度范围内具有+/- 0.5ppm+/- 2.5ppm的频率稳定性。Stratum III需要+/- 0.28ppm的稳定性。裸露的石英不够稳定,不易达到低于10ppm的稳定性。TCXO经历了一个制造流程,可以测量和校准其频率偏差。明显的缺点是成本。请记住,没有什么比终端系统中不可操作的数据链路更昂贵。

    6.烤箱控制的晶体振荡器OCXO

    OCXO可以达到几乎不可想象的精度水平+/- 0.1ppm0.1ppb或更高的温度。TCXO技术不仅使用温度校准。OCXO通过添加二阶控制 石英毛坯的温度来实现稳定性。在启动时,OCXO将石英毛坯加热到比环境温度高约10度,并将温度控制在该水平,从而最大限度地减少温度扰动。在许多情况下,OCXO还具有机械防护冲击和振动功能,使终端系统能够实现最大时钟精度以满足要求。与军用和雷达相关的许多应用以及用于移动电话的基站收发信台(BTS)需要这种精确度。快速移动车辆中的先进高精度GPS也需要高精度。

    7.微电子机械系统MEMS

    MEMS技术与石英并行发展。MEMS基于硅而非石英晶体,具有小型化和抗冲击和振动的优点。由于与MEMS谐振器相关的复杂性,MEMS的主要缺点是成本。虽然它可以用于晶体,XOTCXO涵盖的各种应用中,但是当需要高耐久性时,MEMS是最佳的。此外,在尺寸为1.6 x 1.2mm的超小尺寸下,MEMS与晶体竞争非常激烈。可穿戴设备,无线充电板,工业控制,机器人,无人机和AR / VR等应用可以充分利用MEMS的耐用性和尺寸。

  • 高精度TCXO振荡器的基站市场趋势【2019-04-22】

    由于视频和其他内容的传送导致移动流量的增加,移动通信网络中基站的业务容量变得越来越紧张。作为解决方案,已经提出通过增加小小区的数量来减少宏小区的负担,并且预期将来对小小区的需求将继续增加。

       另一方面,为了将每个网络节点和基站的时间误差减少到5G,需要越来越高精度和高稳定性的时钟。

    应用于每个电信公司核心部分的顶部时钟(PRTC / T-GM)通过铯和铷等原子钟实现了极高的精度。安装在网络上的每个设备都与这个顶部时钟同步,但是如果由于某种原因无法实现同步,则需要以其自身的准确度继续通信定义了Holdover的准确性,它确保了在时间之前基于同步数据的准确性,以及以其自身精度操作的自由运行的准确性。

    高精度的TCXO(温补晶振)是可以作出温度补偿功能的振荡器,可实现与OCXO(恒温晶体振荡器)一样的高精度值.这类的高精度TCXO振荡器主要用于网络基础设施.为了在4G以及5G中实现高同步设置,村田陶瓷谐振器公司正在开发频率稳定度为STRATUM 3级或者更高级别的产品.除了存在或者不存在Vc功能外,输出波型还可以选择两种类型的:削波正弦和CMOS.

    虽然说5G时代的到来是需要更精确的定时装置,OCXO晶振高精度装置往往在成本上面会有着很大的差异,尺寸功耗大等问题都会影响到客户的使用与设计.因此,muRata晶振公司经过多方面的研究与探讨,TCXO振荡器着手,通过提高TCXO的准确性从而创造一个不需要OCXO振荡器的世界.

    村田陶瓷振荡器公司所研发的高精度TCXO振荡器具有与OCXO振荡器相同的温度特性,-40~+85度的温度范围内具有+-200ppb的高精度。以确保G.8262对以太网设备时钟所需要的精度.以确保可以正常自由的运行.

    现村田陶瓷振荡子晶振公司正在开发具有扩展温度范围的产品,以应对恶劣的环境.

  • What is frequency at load capacitance?【2019-04-16】

    1. Introduction 

    When ordering crystals for oscillators that are to operate at a frequency f, e.g. 32.768 kHz or 20 MHz, it is usually not sufficient to specify the frequency of operation alone. While the crystals will oscillate at a frequency near their series resonant frequency, the actual frequency of oscillation is usually slightly different from this frequency (being slightly higher in “parallel resonant circuits”).1 

    So, suppose you have a crystal oscillator circuit and you want to purchase crystals such that when placed in this circuit the oscillation frequency is f. What do you need to tell the crystal manufacturer to accomplish this? Do you need to send a schematic of the oscillator design with all the associated details of its design, e.g. choice of capacitors, resistors, active elements, and strays associated with the layout? Fortunately, the answer is no. In addition to the frequency f, all that is needed is a single number, the load capacitance CL . 

    2. What is CL ? 

    Suppose your crystal oscillator operates at the desired frequency f. At that frequency, the crystal has complex impedance Z, and for the purposes of frequency of operation, this is the only property of the crystal that matters. Therefore, to make your oscillator operate at the frequency f, you need crystals that have impedance Z at the frequency f. So, at worst, all you need to specify is a single complex number Z = R+jX. In fact, it is even simpler than this. 

    While in principal one should specify the crystal resistance R at the frequency f, usually the crystal-to- crystal variation in R and the oscillator’s sensitivity to this variation are sufficiently low that a specification of R is not necessary. This is not to say that the crystal resistance has no effect; it does. We shall discuss this further in Section 4. 

    So, that leaves a single value to specify: The crystal reactance X at f. So, one could specify a crystal having a reactance of 400 ? at 20 MHz. Instead,however, this is normally done by specifying a capacitance C L and equating.

    where we have set ω = 2πf. Physically, at this frequency, the impedance of the series combination of the crystal and a capacitance C L has zero phase (equivalently, has zero reactance or is purely resistive). See Figure 1. To see this, consider

    where the second step follows by Equation (1) and the fact that the reactance of a capacitance C is -1/( ωC).

    Figure 1—This series combination has zero-phase impedance at a frequency where the crystal has load capacitance CL

    So, the task of assuring proper oscillation frequency is the task of providing components (crystals in this case) that, at the specified frequency, have the required reactance, which is stated in terms of a capacitance CL by Equation (1).2 For example, instead of specifying crystals having a reactance of 400 ? at 20 MHz, we specify crystals having a load capacitance of 20 pF at 20 MHz, or more normally, we specify that the crystal frequency be 20 MHz at a load capacitance of 20 pF. 

    In “parallel resonant circuits,” CL is positive, typically being between 5 pF and 40 pF. In this case the crystal operates in that narrow frequency band between the crystal’s series and parallel resonant frequencies (F s and F p , respectively).

    While a truly “series resonant circuit” does not have a load capacitance associated with it [or perhaps an infinite value by Equation (1)], most “series resonant circuits” actually operate slightly off of the series resonant frequency and therefore do have a finite load capacitance (that can be positive or negative).However, if this offset is small and specifying a load capacitance is not desired, it can either be ignored or handled by a slight offset in the specified frequency f.

    As we shall see in Section 4, both the oscillator and the crystal determine C L . However, the crystal’s role is rather weak in that in the limit of zero resistance,the crystal plays no role at all in determining C L . In this limiting case, it makes sense to refer to C L as the oscillator load capacitance as it is determined entirely by the oscillator. However, when it comes time to order crystals, one specifies crystals having frequency f at a load capacitance C L , i.e. it is a condition on the crystal’s frequency. Because of this,it would be reasonable to refer to C L as the crystal load capacitance. For the sake of argument, we simply avoid the issue and use the term loadcapacitance.

    注释:1> When ordering crystals for series resonant operation,instead of specifying a value for C L , be sure to state that the frequency f refers to the series-resonant frequency, F s .

    2> This is not to say that all aspects of frequency determination are tied to this single number. For example,other aspects of the crystal and oscillator determine whether the correct mode of oscillation is selected and the system’s frequency stability (short and long term).

    3. Defining F L at C L

    We now take Equation (1) as our defining relation for what we mean by a crystal having a given frequency at a given load capacitance.

    Definition: A crystal has frequency F L at a load capacitance C L when the reactance X of the crystal at frequency F L is given by Equation (1), where now ω = 2πF L .

    Recall that, around a given mode, the reactance of a crystal increases from negative values, through zero at series resonance, to large positive values near parallel resonance where it rapidly decreases to large negative values, and then again it increases towards zero. (See Reference [1].) By excluding a region around parallel resonance, we have a single frequency for each value of reactance. In this way,we can associate a frequency F L given a value of C L .So, positive values of C L correspond to a frequency between series and parallel resonance. Large negative values of C L , correspond to a frequency below series resonance while smaller negative values correspond to frequencies above parallel resonance.(See Equation (3) below.)

    3.1. The crystal frequency equation So, how much does the frequency of oscillation depend on the load capacitance C L ? We can answer this question by determining how the crystal frequency F L depends on the crystal load capacitance CL . One can show that to a very good approximation that

    where C 1 and C 0 are the motional and static capacitances of the crystal, respectively. (See Reference [1] for a derivation and discussion of this relation.) For the purposes of this note, we shall refer to Equation (3) as the crystal frequency equation.

    This shows the dependence of a crystal oscillator’s operational frequency on its load capacitance and its dependence on the crystal itself. In particular, the fractional frequency change when changing the load capacitance from C L1 to C L2 is given to good approximation by

    3.2. Trim sensitivity

    Equation (3) gives the dependence of operating frequency F L on the load capacitance C L . The negative fractional rate of change of the frequency with C L is known as the trim sensitivity, TS. Using Equation (3), this is approximately

    From this we see that the crystal is more sensitive to given change in C L at lower values of C L .

    4. But what determines C L ?

    Consider the simple Pierce oscillator consisting of a crystal, an amplifier, and gate and drain capacitors as shown in Figure 2.

    There are at least three stray capacitances that must be considered in trying to calculate the load capacitance of the Pierce oscillator circuit.

    1.  An added capacitance from the input of the amplifier to ground. Sources for this could be the amplifier itself and trace capacitance to ground. As this capacitance is in parallel with C G , we can simply absorb this into our definition of C G . (That is C G is the capacitance of the capacitor to ground plus any additional capacitance to ground on this side of the amplifier.)

    2.  An added capacitance from the output of the amplifier to ground. Sources for this could be the amplifier itself and trace capacitance to ground. As this capacitance is in parallel with C D , we can simply absorb this into our definition of C D . (That is C D is the capacitance of the capacitor to ground plus any additional capacitance to ground on this side of the amplifier.)

    3.  A stray capacitance C s shunting the crystal as shown in Figure 2.

    Redefining C G and C D as discussed above, it then follows [2] that one of the conditions for oscillation is 

    Where

    is the impedance of the parallel combination of the crystal and the capacitance C s and R o is the output resistance of the amplifier.

    It can be shown that the crystal resistance R as a function of load capacitance C L is given approximately by (provided C L is not too small)

    where R 1 is the motional resistance of the crystal [1].It then follows that (provided C L – C s is not too small)

    And

    With these results, Equation (6) gives the following equation for C L

    where R ′ is approximated by Equation (9). Note that the equation for C L is actually a bit more complicated than it might seem at first as R ′ depends upon on C L.It can be seen that C L decreases as R 1 increases, and so by Equation (3), the frequency of operation increases with crystal resistance. So, the load capacitance does have a dependence on the crystal itself. But as we have mentioned previously, the variation in crystal resistance and resulting sensitivity to this variation is usually sufficiently low that the dependence can be ignored. (In this case, a nominal value for crystal resistance is used in calculating C L .)

    However, sometimes the resistance effect cannot be ignored. Two crystals tuned so that both have exactly the same frequency at a given load capacitance C L can oscillate at different frequencies in the same oscillator if their resistances differ. This slight difference leads to an increase in the observed system frequency variation above that due to crystal frequency calibration errors and the board-to-board component variation.

    Note that in the case of zero crystal resistance (or at least negligible compared to the output resistance Ro of the amplifier), Equation (11) gives

    So, in this case, the load capacitance is the stray capacitance shunting the crystal plus the series capacitance of the two capacitances on each side of the crystal to ground.

    5. Measuring CL

    While in principal one could calculate C L from the circuit design, an easier method is simply to measure C L . This is also more reliable since it does not rely on the oscillator circuit model, takes into account the strays associated the layout (which can be difficult to estimate), and it takes into account the effect of crystal resistance. Here are two methods for measuring C L .

    5.1 Method 1

    This method requires an impedance analyzer, but does not require knowledge of the crystal parameters and is independent of the crystal model.

    1.  Get a crystal that is similar to those that will be ordered, i.e. having similar frequency andresistance.

    2.  Place this crystal in the oscillator and measurethe frequency of operation F L . In placing the crystal into the circuit, be careful not to damage it or do anything to cause undue frequency shifts.(If soldered in place, allow it to cool down to room temperature.) A good technique that avoids soldering is simply to press the crystal onto the board’s solder pads using, for example,the eraser end of a pencil and observe the oscillation frequency. Just be careful that the crystal makes full contact with the board. The system can still oscillate at a somewhat higher frequency without the crystal making full contact with the board.

    3.  Using an impedance analyzer, measure the reactance X of the crystal at the frequency F L determined in Step 2.

    4.  Calculate C L using Equation (1) and the measured values for F L ( ω = 2πF L ) and X at F L .

    5.2 Method 2

    This method is dependent upon the four-parameter crystal model and requires knowledge of these parameters (through your own measurement or as provided by the crystal manufacturer).

    1.  Get a crystal that is similar to those that will be ordered, i.e. having similar frequency and resistance.

    2.  Characterize this crystal. In particular measure its series frequency Fs , motional capacitance C1,and static capacitance C0.

    3.  Place this crystal in the oscillator and measure the frequency of operation F L (as in Method 1,Step 2.)

    4.  Calculate C L using Equation (3) and the measured values for F L , F s , C 1 , and C 0 .

    It is recommended that either procedure be followed with at least 3 crystals. When done properly, this technique often gives values for C L that are consistent to about 0.1 pF. Further confidence in the final results can be found by repeating the procedure for a number of boards to estimate the board-to-board variation of C L .

    Note that in the above, F L does not have to be precisely the desired oscillation frequency f. That is, the calculated value for C L is not a strong function of the oscillation frequency since normally only the crystal is strongly frequency dependent. If, for some reason, the oscillator does have strong frequency dependent elements, then using this procedure would be quite difficult.

    6. Do I really need to specify a value for CL ?

    There are at least three cases where a specification of C L is not necessary:

    1.  You intend to operate the crystals at their series-resonant frequency.

    2.  You can tolerate large errors in frequency (on theorder of 0.1% or more).

    3.  The load capacitance of your circuit is sufficiently near the standard value (see crystal data sheet) that the frequency difference is tolerable. This difference can be calculated with Equation (4).

    If your application does not meet one of the three conditions above, you should strongly consider estimating the load capacitance of your oscillator and use this value in specifying your crystals.

  • 什么是三态函数【2019-04-01】

    What is Tri-State Function?

    トライステート関数とは

    688

    1. In oscillator with Tri-state function, oscillator output can be controlled by the Tri-state pin as follows:
    Logic High : Output Enable
    Logic Low :Output Disable

    トライステート機能付きオシレータでは、次のようにトライステートピンでオシレータ出力を制御できます。
    ロジックハイ:出力イネーブル
    ロジックロー:出力ディセーブル
    2. The Tri-state function would allow output pin to assume high-impedance state, effectively removing the oscillator output from the circuit.

    トライステート機能により、出力ピンをハイインピーダンス状態にすることができ、回路から発振器の出力を効果的に取り除くことができます。

    3. Oscillator circuits can remain on or be turned off while output is disabled in Tri-State.

    出力がトライステートでディスエーブルされている間、発振回路はオンのままにするかオフにすることができます。

    Oscillator Operating Mode in Tri-state:Oscillator Circuits Off

    トライステートの発振器動作モード:発振器回路オフ

    •Advantage :Lower standby current

    •利点:スタンバイ電流が低い

    •Drawback :Longer startup time:( Fundamental mode > 0.2mS),( 3rd Overtone mode > 2mS)

    •欠点:起動時間が長くなります:(基本モード> 0.2ミリ秒)、(3倍音モード> 2ミリ秒)

    Oscillator Operating Mode in Tri-state:Oscillator Circuits On

    トライステートのオシレータ動作モード:オシレータ回路オン

    •Advantage:Shorter output enable time(< 0.1mS)

    利点:短い出力イネーブル時間(<0.1mS)

    •Drawback:Higher standby current

    欠点:高いスタンバイ電流

    Standby Current Comparison between Different Oscillator Operating Mode

    異なる発振器動作モード間の待機電流の比較

    Standby Current

    Supply Voltage(VDD)

    1.8V

    2.5V

    2.8V

    3.3V

    5V

    Oscillator off

    22MHz

    0.4uA

    0.5uA

    1.1uA

    1.6uA

    4.1uA

    44MHz

    0.4uA

    1.5uA

    1.7uA

    2.3uA

    6.1uA

    Oscillator on

    22MHz

     

     

    0.33mA

    0.5mA

    1.16mA

    44MHz

     

     

    2.1mA

    3.4mA

    13.5mA

    •Only PX/PY series have oscillator on/off option when output is disabled.

    出力が無効の場合、PX / PYシリーズのみオシレータのオン/オフオプションがあります。

    •All other oscillator series have oscillator turned off in Tri-state.

    他のすべての発振器シリーズは、トライステートで発振器がオフになっています。

    How to Disable Tri-State Function

    トライステート機能を無効にする方法

    1605

    •If Tri-state function is no needed, the Tri-state pin shall be connected to the Vcc pin or left floating.

    トライステート機能が不要な場合は、トライステートピンをVccピンに接続するか、フローティングのままにします。

    There is a internal pull- up resistor which would enable output if Tri-state pin is left floating.

    トライステートピンをフローティングのままにしておくと、出力をイネーブルする内部プルアップ抵抗があります。

    •TAITIEN recommends connecting Tri-State pin to VCC if Tri-state function is not needed.

    トライステート機能が不要な場合は、トライステート端子をVCCに接続することをお勧めします。


  • 稳定微波信号生成来源于泛音晶体,水晶振动子【2019-01-16】
    对于石英水晶振动子低温度频率或延迟时间的依赖性,使泛音压电石英晶体对未来移动无线电的应用具有吸引力,从而也允许开发具有较低插入损耗和优异温度的传感器,使其电子设备稳定性承受非常高的温度,基本石英晶体频率略高于一切的石英剪切模型的高成本,因此使用是AT剪切,在其振动模式上的共振方式是切断较高的谐波,这是一种具备弹性型范围石英晶振.
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