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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。
正常工作条件
电子元件的温度范围一般用摄氏度来表示，一般晶振的工作温度范围是： 0-70 o C 。假如必须超
出这个范围使用，那么就去买一个可以在更广范围内使用的晶体。
晶体对温度的敏感性导致了频率的变化，石英晶体和其他的材料一样，对温度应力也有反
应。当环境温度改变时，由于石英晶体的各向异性的结构特点，晶体会发生弯曲或者轻微的形状
改变。外形的任何改变都会影响到工作频率。我们可以画出晶体的工作频率相对温度改变的曲
线，这个曲线对特定的晶体来说是确定的，不会随时间改变。
图 12.3 绘制了几种不同晶体的频率－温度曲线，可以看到令人吃惊的差异。当工作在－ 50 ～
100 o C 的范围时，曲线 D 最好，从－ 50 ～ 100 o C 它的变化不超过 25ppm 。在 0 ～ 50 o C 之间，曲线 A 最 好，它在此范围内的变化小于5ppm ，但是它在－ 50 ～ 100 o C 之前的变化几乎有 100ppm 。没有一条 曲线在所有的温度范围内都最好。
在下图 的曲线是非常类似的，每条特定的曲线都是将石英晶体以一个精确的角度切割后产
生的结果。由于所有的生产厂商用的都是同样的晶体材料，同时大家都知道以何种角度去切割可
以获得不同的温度曲线，所以我们可以认为所有的生产厂商的温漂指标都一样。
