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Fortiming晶体谐振器XCS21-26M000-1E10C10的基本技术

石英晶体谐振器（通常称为“晶体”）因其无与伦比的高Q值、稳定性、小尺寸和低成本组合而广泛用于频率控制应用。已经研究了许多不同的物质作为可能的谐振器材料，但是多年来，石英谐振器在满足精确频率控制的需求方面一直是优选的。与其他谐振器相比，例如LC电路、音叉之类的机械谐振器以及基于压电陶瓷谐振器或其他单晶材料的谐振器，石英谐振器具有独特的综合性能。

首先，单晶石英的材料特性在时间、温度和其他环境变化下极其稳定，并且从一个样本到另一个样本具有高度可重复性。石英的声学损耗或内部摩擦非常低，这直接导致石英谐振器的关键特性之一，即其极高的Q因子。石英的本征Q值约为1071兆赫时。安装的谐振器通常具有几万到几十万的Q因子，比最好的LC电路好几个数量级。

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。

fr和f 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：

考虑到fr≤f≤fa的有限频率范围，阻抗给出为Z = R e + jwL e（Le≤= 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 e（H）操作。

图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。 图1.6显示了这些特征。

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Colpitts和Hartley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L，C L1和C L2组成的电路的谐振频率大致相同，或者由Hartley电路中的L 1，L 2和C组成。 这些频率可以用下面的公式表示。

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°•n（n = 1,2，...）

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

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 L1和C 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 L1和C 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。

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 L1•C 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CMOS（HCMOS）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 L1和C 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CMOS，HCMOS或TTL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：

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：

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。

 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ECS或LSI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 KHz，455KHz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LC和RC;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。

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。

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IC和LSI的振荡特性，请与维多利亚老品牌值得信赖线路联系。

在-20°C至+ 80°C的范围内，温度变化的稳定性为±0.3至0.5％，尽管根据陶瓷材料的不同而略有不同。负载电容（C L1，C 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 L1，C 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。

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最近ABRACON晶振公司发布了业界领先的LOT系列石英晶振，主要用于节能MCU和RF芯片组，功率优化的119fs超低抖动AX7系列时钟晶体振荡器，产品应用比较广泛，或优化芯片性能，具有高效率的性能。为物联网协议和ARJM11 RJ45设计的贴片以及外部天线，集成磁性支持10 / 100Base-T，1000Base-T，2.5GBase-T和5GBase-T。ABRACON晶振公司在过去的12个月内发布了超过20’000个新零件号。ABRACON晶振公司拥有强大的销售服务以及技术支持团队.

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至+/- 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-Fi，Zigbee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100MHz，156.25MHz或312.5MHz需要使用XO提供的差分LVPECL，LVDS，HCSL或CML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RF，GNSS / 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至+/- 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+/- 0.1ppm至0.1ppb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，XO和TCXO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。

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,但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,从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,在-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.

日本村田新研发出一款MEMS谐振器，尺寸仅有0.9*0.6*0.3mm。实现了现石英晶体谐振器达不到超小尺寸，并且低ESR特性的产品。MEMS谐振器的诞生可代替许多石英晶体谐振器。有很多人就想问了什么是MEMS谐振器？它跟振荡器有什么区别？MEMS谐振器有哪些特点？工作原理有哪些？使用都需要注意一些什么问题？等等一大串的问题就随之而来了。

那么我们将一一把问题给大家回复。

首先，大家肯定是会对日本村田陶瓷晶振制作所研发出的产品有些疑问，什么是MEMS呢？其实MEMS指的是微机电系统（Micro Mlectro Mechanical Systems),这种装置运用了半导体生产工艺技术，具有三维微细结构。除了面对MEMS谐振器还有一种是振荡器，MEMS振荡器跟其它普通石英晶体振荡器是一样的，将振荡用电路也谐振器融为一体的装置。可用科尔皮兹振荡电路之类的普通振荡电路驱动。

WMRAG32K76CS1C00R0谐振器是村田MEMS技术的代表作品。该产品具有体极柢的ESR特性以及极小尺寸封装，这个是目前石英晶体谐振器无法实现的突破。极小的尺寸有助于减小安装面积，通过优化IC增益，实现了低ESR的MEMS谐振器，降低了功耗。也可用于回流焊接，引线键合和传递模型。WMRAG32K76CS1C00R0谐振器具有晶体该有的特性，32.768KHZ标频以及20PPM标准稳定偏差。可在-30~+85度下正常工作。驱动电平在0.2μW以内。当您考虑置换晶体的时候，要注意晶体谐振器和MEMS谐振器的负载电容量值不同。

并且要知道MEMS谐振器与普通石英晶体谐振器的区别。

台湾NSK晶振公司不仅生产石英晶振,石英晶体谐振器,晶体振荡器,温补晶振,压控晶体,还生产陶瓷谐振器(Ceramic Resonator),陶瓷滤波器(Ceramic Filter),ZTA陶瓷晶振,ZTT陶瓷晶振,3.58M,6M,4M,8M,16M,24M,27M频率均有现货供应.ZTA晶振可从低频1M到50MHZ,主要应用于电视遥控器,风扇遥控器,USB,鼠标等产品.

NSK Ceramic Resonator

	NRA ZTA/ MG, MT, MX	DIP	1.8 MHz to 50.0 MHz	10.0*5.0*10.0

	NRE ZTTCV MT, MX	SMD	8.0 to 50 MHz	3.7*3.1*1.2

	NRE ZTTCS MT, MX	SMD	7.0 to 50 MHz	4.7*4.1*1.6

	NRE ZTTCC MG	SMD	2 to 6.99 MHz	7.4*3.4*1.8

	NRD ZTACV MT, MX	SMD	8.0 to 50 MHz	3.7*3.1*1.2

	NRD ZTACS MT, MX	SMD	7.0 to 50 MHz	4.7*4.1*1.6

	NRD ZTACC MG	SMD	2.0 to 6.99 MHz	7.4*3.4*1.8

	NRT ZTT/ MG, MT, MX	DIP	1.8 MHz to 50 MHz	10.0*5.0*10.0

NSK Ceramic Filter

陶瓷滤波器LT4.5MB,LT5.5MB,LT6.5MB可以免提提供样品测试,陶瓷滤波器主要应用于TV/VCR产品等.L10.7M陶瓷滤波器均可在线供应.

	NRF LT4.5MB	DIP	4.43MHz to 6.5MHz	5*3.2

	NRF LTCA/CV	SMD	10.7MHz	6.9*2.9*1.5

	NRF JT4.5MD	DIP	4.5MHz to 6.5MHz	9.0*5.0*10.0

	NRF JT4.5MC	DIP	4.5MHz to 6.5MHz	9.0*5.0*10.0

NRF JT10.7M

SMD

10.7MHz

9.0*5.0*7.0

Taiwan NSK Crystal Co., Ltd. not only produces quartz crystal oscillator, quartz crystal resonator, crystal oscillator, temperature-compensated crystal oscillator, voltage-controlled crystal, but also ceramic resonator (Ceramic Resonator), ceramic filter (Ceramic Filter), ZTA ceramic crystal, ZTT ceramic. Crystal oscillator, 3.58M, 6M, 4M, 8M, 16M, 24M, 27M frequency are available from stock. ZTA crystal oscillator can be used from low frequency 1M to 50MHZ, mainly used in TV remote control, fan remote control, USB, mouse and other products.

石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等）,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振.其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的.

美国ConnorWinfield晶振型号CWX813系列原厂代码.ConnorWinfield康纳温菲尔德晶振集团是一家以美国为基础的电子产品制造商.在1963年公司成立后,connor winfield主要专注于设计和制造基于石英的计时电路和振荡器,压电石英晶体、有源晶体、压电陶瓷谐振器,用于广泛的电子应用.在20世纪90年代,ConnorWinfield晶振扩展到其他产品领域,同时继续专注于其核心的时间根源.