恒温晶体振荡器相关知识介绍
恒温晶体振荡器失效机理及分析诊断
另一 大类模 式 。另外 ，Ｏ Ｘ Ｃ Ｏ频 率通 道 （ 信号 通
道 ） 的 功 率 匹 配 、 内 部 电 源 匹 配 、 工 艺 缺 陷 等 与 振 荡 电 路 相 关 的 问 题 则 构 成 又 一类 失 效 模式
度和稳定度更高的时钟频率 ，当前在通信设备和高 精密仪器设备上大量使用工作在恒定温度的晶体作
表 ２０ Ｘ Ｃ ０在 工 程 应 用 中 因水 汽 引 起 失 效 的 案例
３１ 晶体 失效 ．
在 ０ Ｘ 失效分析 的案例 中 ， Ｃ ０ 晶体 失 效 占 ５ ０％ 以上 ，是 最 主要
摘 要 ：舟绍 当前 国内外恒温晶体振蔼器在应用过程中经常 会出理 的几种失效模式 ，并通过具体的案倒阐述
其 失效 机 理 和 失效 原 因
关 键 词 ：晶体谐振器；水汽；温度；应力
中 圈 分 类号 ：Ｔ ５ ． Ｎ７ ２２
文献 标 识 码 ：Ａ
文章 编 号 ： １７ － ４ ８ （０ ６ ４ Ｏ ９ ｏ４ ６ ２ ５ ６ ２ Ｏ ）Ｏ － Ｏ１＿
Ｆａ ｌ ｅ Ｍ ｏ ｅ ｏ ｉｕｒ ｄ ｆＯＣＸＯ ａ ｎｏ ｉ Ｄｉ ｇ ｓｓ
Ｚ ｉ — ｉ ，Ｌ ｈ ｏ ｐｎ ＯＵ Ｊｎ ｌ ｎ Ｉ ａ － ｉｇ Ｓ
（ ＥＰ Ｉ ｕ ｎ ｚ ｏ ０ １ Ｃ ＲＥ ＋Ｇ ａ ｇ ｈ ｕ５１ ６ ０，Ｃ ｉ ａ ｈｎ ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｍ ｉ ａｌ ｒ ｏ ｅ ｆＯｖ ｎ Ｃ ｎｒ ｌ ｄ Ｃ ｙ ｔｌ Ｏ ｃｌ ｔｒ ｗ ｌ ｂ ｎｒ ｄ ｃ ｄ ｉ ｓｒ ｃ ： ｈ ａ ｎ ｆ ｕ ｅ ｍ ｄ ｓ ｏ ｅ ｏ ｔ ｌ ｒ ｓ ｓ ｉ ａｏ ｉ ｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ｎ ｉ ｏｅ ａ ｌ ｌ
ｆｉ ｒ ｎ ｌｓｓｃ ｓ ｓ ａｌ ｅａ ａｙ ｉ ａ ｅ． ｕ
晶振的基本原理及特性
晶振的基本原理及特性晶振的基本原理及特性晶振一般采用如图1a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。
其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。
分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe,Cce,Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。
可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。
因而能“压控”的频率范围也越小。
实际上，由于C1很小(1E-15量级)，Co不能忽略(1E-12量级，几PF)。
所以，Cv变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。
这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压(Cbe上的电压)却越来越小，最后导致停振。
采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。
晶振的指标总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。
说明：总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。
一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。
例如：精密制导雷达。
频率稳定度：任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。
一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图2。
图中表现出频率不稳定的三种因素：老化、飘移和短稳。
图2 晶振输出频率随时间变化的示意图曲线1是用0.1秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳；曲线3是用100秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移；曲线4 是用1天一次测量的情况。
表现了晶振的老化。
频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
恒温晶振 预热 时间
恒温晶振预热时间
恒温晶振的预热时间是一个重要的参数，它指的是晶振在开始正常工作之前需要进行的稳定温度运行时间。
预热时间的长短直接影响到晶振的性能稳定性和精度。
一般来说，晶振的预热时间取决于晶振的类型、封装、工作温度范围等因素。
首先，从晶振类型角度来看，例如TCXO（温补晶振）和OCXO （高稳定性温补晶振）相对于普通的晶振，由于其内部结构和工作原理的不同，预热时间也会有所差异。
一般来说，TCXO的预热时间在几分钟到十几分钟不等，而OCXO可能需要数小时的预热时间。
其次，晶振的封装形式也会对预热时间造成影响。
通常来说，大型封装的晶振由于热容量较大，预热时间可能会更长，而微型封装的晶振则可能需要较短的预热时间。
此外，工作温度范围也是影响预热时间的因素之一。
在较宽温度范围内工作的晶振，由于需要适应不同温度下的工作环境，其预热时间可能会相对较长。
需要注意的是，预热时间是为了让晶振内部的温度稳定在工作
温度附近，以确保其性能稳定。
在实际应用中，为了获得更好的性能，一般建议按照晶振厂家提供的规定预热时间进行操作。
总的来说，预热时间是确保晶振正常工作的重要环节，需要根据具体的晶振类型、封装形式和工作环境来确定合适的时间长度。
在实际使用中，严格遵守厂家的规定，并结合实际情况进行调整，可以更好地发挥晶振的性能。
恒温晶振OCXO主要技术指标定义的IEC标准
恒温晶振OCXO主要技术指标定义的IEC标准恒温晶振OCXO主要技术指标定义的IEC标准1）标称频率（Nominal frequency）IEC标准定义：振荡器标明的工作频率。
2）中心频率偏差 (Frequency accuracy)IEC标准定义：在基准点温度环境（25 ± 2 ℃ ）和中心控制电压时，测得的频率值与标称频率的偏差。
3）频率调谐范围（Frequency adjustment range）IEC标准定义：用某种可变元件使振荡器频率能够改变的频率范围。
注：调整的目的：1）把频率调到规定调整范围内的任一特定值。
2）由于老化和其它条件变化而引起频率偏移后，能够把振荡器频率修正到规定值。
调整的方式：3）调节方式有机械调节和电压调节两种4）可变元件通常指变容二极管、多圈电位器等。
4）工作温度范围 (Operating temp. range)IEC标准定义：振荡器能够正常工作，其频率及其它输出信号性能均不超过规定的允许偏差的温度范围。
注：1）工作温度范围的下限越低，振荡器功耗越大，同时频率温度稳定度越难实现。
2）工作温度范围的上限越高，晶体拐点设置越高，晶体成本上升越多。
5）压控特性（电压范围、极性、线性、压控输入阻抗）IEC标准定义：当控制电压变化时，引起的振荡器输出的频率、波形特征等电特性的变化。
注：1）电压范围：用来调节频率的电压的可调范围。
常见的有0～3.3V, 0.3～3.0V, 0～ 5V, 0.5～4.5V等。
2）压控范围：压控电压在电压范围内变化的时候，振荡器的频率能够变化的范围。
3）极性：当振荡器的频率随压控电压的增加而增加的时候，压控极性为正极性，反之为负极性。
4）线性度：理想的压控电压和频率变化量的关系是线性的，但实际上总会有所偏差，这个偏差就是表征理想程度的压控线性度，通常用百分比表示。
5）如果系统不能给出稳定的电压信号，或者对输出频率有严格的控制要求时，通常振荡器可以自己给出经过稳压后的精准的电压供压控电压用，这个精准的电压就是参考电压。
晶振介绍
石英晶体振荡器石英晶体振荡器是由品质因素极高的谐振器（石英晶体振子）和振荡电路组成。
晶体的品质、切割取向、晶体振子结构及电路形式等因素共同决定了振荡器的性能。
它是目前精确度和稳定度最高的振荡器，广泛应用于全球定位系统（GPS）和移动通信等各种系统中国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：恒温晶体振荡器（OCXO）温度补偿晶体振荡器(TCXO)普通晶体振荡器(SPXO)压控晶体振荡器(VCXO)1) 恒温晶体振荡器(以下简称OCXO)这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。
这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。
根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。
OCXO 的工作原理如下图3所示：OCXO的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。
主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。
2) 温度补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)。
其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。
传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大TCXO开始出现，这种数字化补偿的TCXO 又叫DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。
3) 普通晶体振荡器(SPXO)。
这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。
器件基础知识振荡器
器件基础知识（振荡器）2.8 振荡器（1）石英晶体谐振器为晶体振荡器的核心元件，由石英片、电极、支架及其他辅助装置组成，它是利用石英晶体的压电效应原理制成的电、机械振荡系统，由于石英晶体在物理和化学性能上都是较稳定的材料，因而其谐振频率必然稳定，晶体具有品质因数高，弹性振动损耗小的特点以及采用不同切割方式和几何形状可获得良好频率温度特性的优点，它被广泛应用于各类普通振荡器，压控振荡器，温度补偿晶体振荡器以及恒温晶体振荡器等。
（2）晶体振荡器是一种把直流电能转变成交流电能的装置，有时也称为信号发生器，它由直流电源、晶体管或电子管及振荡系统三个主要部分组成。
使用了以晶体为核心的振荡电路，由于使用了具有高Q值的晶体，因此振荡器稳定性比较好，主要用于时钟信号产生电路和时钟标准。
按用途和特点可分为普通晶体振荡器、电压控制晶体振荡器、温补晶体振荡器和温度控制晶体振荡器；按晶体振荡模式分，基频晶体振荡器、泛音晶体可分为振荡器；按采用分频、倍频技术可分为倍频晶体振荡器、分频晶体振荡器；如果按特定的技术要求也可以分为高稳定晶体振荡器、低噪声晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐低温晶体振荡器、耐辐射晶体振荡器等等。
2.8.2 石英晶体谐振器结构特点（一）振荡器的频率稳定与Q值关系频率稳定度一般用频率的相对变化量∆f/f0来表示，f0为振荡频率，∆f为频率偏移。
谐振回路的Q值愈高，频率稳定度愈高。
但一般的LC振荡器，其Q值只可达到几百，振荡器频率稳定度大约为10-2~10-3；如果用石英晶体谐振器取代LC振荡器中的L、C元件所组成的振荡器，其Q 值低十万高达百万，晶体振荡器频率稳定度在10-4~10-11量级，因此在要求高频率稳定度的场合，都采用石英晶体振荡器。
（二）石英晶体材料的基本特性（1）各向异性石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是SiO2，两端呈角锥形，中间是一个六面体。
恒温控制晶体振荡器(OCXO)的原理
恒温控制晶体振荡器（OCXO）的原理CXO是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器，其内部结构如图4所示。
在OCXO中，有的只将石英晶体振子置于恒温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。
利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在1×10－9。
OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。
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，来实现温度控制的。
具有自动增益控制（AGC）的（C1app）振荡电路，是目前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。
在近几年中，OCXO的技术水平有了很大的提高。
日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的1/10。
在克服OCXO功耗较大这一缺点方面取得了重大突破。
该公司使用应力补偿切割（SCCut）石英晶体振子制作的OCXO，与使用AT 切形石英晶体振子的OCXO比较，具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。
相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率（C/N），是表征频率颤抖的技术指标。
在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。
Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶体制成的同样OCXO，则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。
凯越翔电子生产的OCXO，频率范围为5～120MHz，在－10～＋60℃的温度范围内，频率稳定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指标为±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。
(整理)晶振的原理及特性
我们常说的晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。
这种晶体有一个很重要的特性，如果给他通电，他就会产生机械振荡，反之，如果给他机械力，他又会产生电，这种特性叫机电效应。
他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。
由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。
根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。
他们的机电效应是机-电-机-电....的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。
在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。
由于石英晶体的损耗非常小，即Q 值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。
无源晶体与有源晶振的区别、应用范围及用法：1、无源晶体——无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。
无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。
无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。
建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。
2、有源晶振——有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。
有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。
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1 恒温晶体振荡器基本原理
恒温晶体振荡器简称恒温晶振，英文简称为OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）,是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，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器。
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。
恒温晶振的基本结构见图1。
2 恒温晶体振荡器的应用领域
1）军事和宇航领域：通讯导航、敌我识别器、雷达、传感器、制导系统、引信、电子战、声纳；
2）科研与计量：原子钟、测量设备、遥测、遥感、遥控；
3）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；
4）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、摄象机、业余无线电器材、玩具、医用装置与设备；
5）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。
3 恒温晶体振荡器专业术语
1）频率准确度：按规定条件要求，在基准温度下测试，晶体振荡器的频率相对于其规定标称值
的最大允许偏差，即（f-f0）/f0；
2）频率－温度稳定度：按规定条件要求，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即±（fmax-fmin）/(fmax+fmin)；
3）频率老化：晶体振荡器输出频率随时间的变化，通常用某一时间间隔的频率来量度。
如0至
30天的总变化或1年内的预定总频率变化等；
4）工作温度范围：振荡器能正常工作。
其频率及其他性能均不超过规定的允许偏差的温度范围；
5）稳定时间：振荡器从初始加电到稳定工作在规定极限值所需要的时间；
6）相位噪声：是指信号功率与噪声功率的比率（C/N），是表征频率颤抖的技术指标。
在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声；
7）频谱纯度：频率稳定度的一种频域量度，它通常用信号边带的噪声功率谱中每赫兹带宽的噪
声功率相对于总信号功率的分贝数来表示；
8）谐波失真：用不希望的信号频谱分量与有用信号频率的谐波关系描述的非线形失真；
9）再现性：振荡器经过规定的时间间隔，再加电一段时间后返回原来频率的能力；
10）输出功率：施加规定电压和规定负载下，振荡器消耗的电能，用电压与消耗电流的积表示；11）输出电压（正弦波）：施加规定的电压和负载，在规定的时间内达到稳定后，用RF表测得的有效值或用示波器测量电压峰-峰值后换算的有效值。
4 恒温晶体振荡器订货及使用注意事项
1)定货须知
用户需根据产品手册选择适当的技术参数：如标称频率、工作温度范围、工作电压、外形尺寸、频率温度稳定度、输出波形、输出幅度、输出负载、输入电流等。
2)使用注意事项
a) 晶振所加电源电压幅值、允差、极性正确，注意电源纹波（低相噪晶振建议采用低纹波线形
电源）；
b) 电源电压不要超过工作电压的10%以上，以免烧毁元器件；
c) 请在防静电环境中安装产品（有IC电路的对此项作要求）；
d) 安装、运输过程中对恒温晶振进行保护，注意轻拿轻放，避免高位跌落或碰撞引起的产品失
效；
e) 输出负载要匹配；
f) 建议采用手工焊接，焊接温度不超过285℃，时间不超过5秒；
g) 本恒温晶振应存放在-10℃～+40℃，相对湿度不大于80%，干燥通气，周围环境无酸性、
碱性及其它有害气体的库房中。