振荡器教程

振荡器是一种在输出端子上产生 AC 信号的设备。“振荡”这个术语可以定义为“以有规律的速度往复运动”。通过将输入端的 DC 电压转换为输出端子上的重复 AC 电压，振荡器可以产生信号实现此目的。振荡器包括放大器和滤波器/耦合网络，它们使用正反馈环路工作。振荡器通常采用密闭式封装。这对于很多应用是非常实用的，例如控制数字处理器的速度、生成时钟信号、创建载波发生器或接收器等多种应用。当前市场上有多个不同类型的振荡器，包括晶体振荡器、MEMS、压控晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器等。本文将探讨一些主要类型的振荡器，以及业内使用的一些常见术语，并介绍如何在 DigiKey 网站上查找振荡器。

振荡器的一些关键参数包括工作频率、供电电压、输出信号、频率稳定性。除此之外，还有其他考虑因素，但这些参数相对比较重要。这些都是 DigiKey 网站上的可搜索参数，您可在“Oscillators”（振荡器）页面上找到这些参数。如果知道了需要的频率，则可筛选掉不适用的其他所有选项。您可以进入“Frequency”（频率）选项卡，选择所需的频率，然后点击“Apply Filters”（使用筛选条件）按钮。您可查看图 1 中的示例，其中需要 32.768 kHz 的振荡器。在图 1 中，频率显示在右侧，“Apply Filters”（使用筛选条件）按钮显示在左下方。

图 1： 在 DigiKey 参数搜索引擎中选择 32.768 kHz 的振荡器（屏幕截图显示的信息截至本文发布之时有效）。

晶体振荡器 (XO)

振荡器有很多不同类型。最常用的一种是晶体振荡器。石英晶体是生成时钟信号的最常用方法之一。这正是“晶体振荡器”这一名称的出处。晶体振荡器不仅只包括晶体，还有一个电路，设计用于生成适合特定负载的某种信号。晶体元件决定频率，该频率将是固定的。除了频率之外，输出的类型也是非常重要的，必须牢记这一点。如果设备需要带有 TTL 信号的时钟，则应选择带有 TTL 输出的振荡器。Abracon LLC 提供的 SE-48.000MHZ-LC-T 就是此类振荡器的一个实例。

图 2： Abracon 的 ASE-48.000MHZ-LC-T 48 MHz 晶体振荡器

在 ASE-48.000MHZ-LC-T 产品页面底部，有一个标题为“Associated Product”（相关产品）的部分，其中列出了用于测试振荡器的配件。DigiKey 通常都会在产品页面底部列出配件，旨在帮助客户查找任何相关产品，如图 3 所示。只需点击 AXS-3225-04-10 超链接，即可显示配件产品页面。

图 3： 来自 Abracon 的 ASE-48.0000MHZ-LC-T 的相关产品（屏幕截图显示截止本文发布之时有效的信息）。

振荡器通常以系列产品的形式推出，此类专有产品系列都遵循相同的零件编号方案。ASE-48.000MHZ-LC-T 也属于此类零件编号方案。编号方案通常包括一个前缀，指示振荡器属于哪个系列。接下来通常是频率的编号，一般以 MHz 为单位。工作温度通常也是选项。两个最常见的工作温度范围为 -20˚C 至 70˚C 和 -40˚C 至 85˚C。后面通常是频率稳定性的编号。根据 Abracon 提供的术语表，频率稳定性是在工作温度范围内“相对于 25˚C 温度下的测量频率的最大允许频率偏差”。ASE 系列只有 CMOS 输出，因此未在编号中标示。振荡器旨在驱动特定负载。晶体和振荡电路能够提供带有逻辑电平输出的信号。这些输出包括很多不同类型，旨在满足振荡器所驱动负载的逻辑需求，例如 TTL、CMOS、HCMOS 和削峰正弦波等。请务必查看需要振荡器时钟输出的设备的说明文档。这样用户可以知道设备需要振荡器提供哪种类型的逻辑输出。图 4 显示了 ASE 系列的零件编号方案。

图 4： Abracon 的 ASE 系列零件编号方案（图片来源： Abracon）。

我们可以使用零件编号生成器来配置编号，类似于图 3 中的编号，但经常会遇到该编号的零件没有库存的情况。这是因为零件编号有大量的选项组合。虽然制造商有能力生产所有不同编号的零件，但通常客户可能从不需要某些可能的组合。如果某个所需零件的编号符合编号方案，但 DigiKey 网站上目前没有，客户可能仍可以订购。这被称为非产品目录请求。DigiKey 会接收零件编号，联系制造商以请求报价和供货。由于这些产品不是常见库存货物，因此必须达到最小订货量。若需提出非产品目录请求，只需拨打 1-800-344-4539 并要求与应用工程师通话。

MEMS 振荡器

基于 MEMS 的振荡器产生与晶体振荡器相同的结果，但工作方式不同。MEMS 表示“微机电系统”。这种振荡器在芯片中使用刻蚀硅片来充当具有共振频率的音叉。晶体振荡器在制造过程中涉及到两种技术。石英晶片不仅制造难度大，而且成本昂贵。它们需要与振荡电路结合，因而在制造流程中需要额外步骤。这样会提高成本，延长交付周期。MEMS 振荡器只需采用硅片技术，这种技术实现了高度自动化，而且制造成本低于石英晶体。因此，成品的成本比较低。MEMS 振荡器消耗的电流通常低于晶体振荡器，因而成为电池供电应用的理想选择。它们还能比晶体振荡器更好地耐受剧烈振动和冲击。SiTIME 提供的 SIT8808BI-73-18S-25.000000G 就是 MEMS 振荡器的一个实例。

如果客户在 DigiKey 网站上查找 SIT8808BI-73-18S-25.000000G，他们将能非常快速地找到类似的产品。轻松完成此项操作的一个诀窍是进入产品页面的“Product Attributes”（产品属性）部分。也许客户需要类似于 SIT8808BI-73-18S-25.000000G 但频率不同的 MEMS 振荡器。这时可从“Product Attributes”（产品属性）区域进行参数搜索，方法是点击所需的每项属性右侧的方框。如果客户需要一款具有以下特性的 MEMS 振荡器：提供待机选项和 LVCMOS 输出，采用 1.8 V 的电源，具有 +/-50 ppm 的频率稳定性，则可以点击相应的方框，如图 5 所示，然后单击右下角的搜索按钮。此前 Oscillator（振荡器）页面中共有 264,150 个选项，在搜索之后，这个数字很快减少至 47 个选项。

图 5： 使用 DigiKey 零件详情页中的产品属性选项，查找类似零件

压控振荡器 (VCXO)

顾名思义，压控振荡器能够基于不同输入电压来改变频率。通常有一个控制引脚，能够施加不同的电压，以更改输出电压。制造商通常会在说明文档中指明什么是“控制电压”，它实际上就是控制输出频率的电压。频率控制是通过将变容二极管与晶体串联实现的。变容二极管将基于其输入电压来改变其内部电容。变容二极管是反向偏压二极管，基于耗尽区的大小来改变其电容。施加更高电压时，耗尽区也会变大，导致电容值降低。这样，用户就能够控制振荡器的频率输出。在锁相环等应用中，或者在需要温度补偿的网络中，这种特性可能是非常有用的。通过创建控制引脚的反馈环路，可以自动控制压控振荡器的频率。在说明文档中应该查看的另一个参数是“绝对牵引范围”。它是能够在所有环境和老化条件下控制的频率范围。CTS-Frequency Controls 提供的 357LB3I027M000 是压控振荡器的一个实例，如图 6 中的图片所示。

图 6： 来自 CTS-Frequency Controls 的 357LB3I02M000 压控振荡器

温度补偿振荡器 (TCXO)

温度补偿振荡器能够对最终改变输出频率的温度变化进行补偿。这类振荡器适用于动态环境的应用。蜂窝电话就是一个很好的例子，该设备在其生命周期中可能遇到冷热不同的环境。智能手机中的微处理器需要在冬季和夏季的不同气候条件下工作，但用户期望它在所有条件下都保持相同的工作状态。温度补偿振荡器使用补偿网络，针对温度变化进行调节。它们是压控振荡器和恒温控制振荡器 (OCXO) 之间的桥梁，与典型的温度控制振荡器相比，其成本更昂贵，功耗也更高。温度补偿网络通常由热敏电阻和可变电抗器构成。可变电抗器根据补偿网络的输出电压改变其在晶体中的负载。它的工作方式类似于压控振荡器，但还采用了热敏电阻，帮助进行温度补偿。ECS Inc. International 提供的 ECS-TXO-3225-147.4-TR 是温度补偿振荡器的一个实例，如图 7 中的图片所示。

图 7： ECS Inc. International 的 ECS-TXO-3225-147.4-TR 温度补偿振荡器。

总结

有关振荡器的话题还有很多可以探讨，远不只限于本文提及的内容。本文的基本目的是介绍适合不同应用的不同类型振荡器。虽然所有这些振荡器有相同的目标，即为设备提供时钟信号，但它们实现这个目标的方式却各不相同。DigiKey 发布的很多产品都对本文提及的不同类型振荡器进行了组合。无论对于刚涉足振荡器领域的新手，还是需要使用 DigiKey 网站上产品的工程师，都希望本文能够成为他们的良好开端。