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更多>>每個工程師應(yīng)該知道有源晶振
來源：http://www.fengxong.cn 作者：康比電子 2019年03月15
康比電子本文旨在為工程師提供有關(guān)晶體控制振蕩器的基本信息.出于本文的目的,振蕩器可以定義為用于穩(wěn)定時頻發(fā)生器的設(shè)備,特別是那些提供數(shù)據(jù)處理設(shè)備使用的時鐘信號的設(shè)備.由于具有內(nèi)置計時功能的微處理器設(shè)備的激增,有源晶振幾乎無處不在.盡管有這種趨勢(或者也許是因為它),總結(jié)振蕩器的基本信息是有用的.
在其最簡單的形式中,振蕩器由兩個網(wǎng)絡(luò)組成,即放大器網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò).圖1.0說明了這種基本配置.
基于以上所述,反饋網(wǎng)絡(luò)似乎對振蕩器的成功運行至關(guān)重要,事實上,情況絕對如此.雖然可以使用諸如LCR網(wǎng)絡(luò)之類的分立組件的某種組合作為相位校正機制,但經(jīng)驗表明這種方法很少令人滿意.這樣的電路將具有非常低的"Q"值并且在物理上將非常大.然而,其最大的缺點是這種網(wǎng)絡(luò)完全不能在任何顯著的溫度偏差下保持合理的頻率穩(wěn)定性.
因為振蕩器的通常目標是為輸出級提供特定的,良好控制的頻率,所以需要精確的相位校正方法.經(jīng)驗表明,壓電石英晶體單元非常適合這項任務(wù).
出于本討論的目的,我們假設(shè)圖1.0的放大器網(wǎng)絡(luò)由集成電路組成,反饋網(wǎng)絡(luò)由石英晶體組成.在振蕩器電路按預(yù)期運行之前,必須滿足兩個條件:
1.電路周圍的環(huán)路增益必須等于1或1.這可以通過放大器網(wǎng)絡(luò)的自限制特性或通過一些外部增益控制電路來實現(xiàn).
2.電路周圍的凈相移必須等于2pn,其中n是整數(shù),通常為1或2.在我們的本例中,石英晶振負責(zé)將相位移動到滿足條件2所需的程度.如果信號非常不同相,頻率遠離諧振器的諧振頻率,則振蕩器將無法按預(yù)期運行（如果有的話）.
施加信號的相位變化不僅導(dǎo)致頻率的變化,而且導(dǎo)致電抗的變化.雖然振蕩器內(nèi)的所有組件可能或多或少地引起電抗的變化,但是石英晶體的電抗非常明顯,以至于可以假設(shè)其他組件具有零電抗.
如果我們繼續(xù)增加頻率,我們將達到另一個零相位點,稱為"反"或"平行"諧振點.此時,晶體單元的電阻最大,電流最小.該頻率固有地不穩(wěn)定,不應(yīng)選擇作為振蕩器的工作頻率.圖2.0還示出了被識別為"通常并聯(lián)共振區(qū)域"的區(qū)域.出于我們的目的,我們將該區(qū)域內(nèi)的頻率視為"并行"頻率.
正如有兩個與石英晶體相關(guān)的零相位頻率,有兩種基本類型的石英晶體振蕩器.與晶體一樣,第一種稱為串聯(lián)諧振型,如圖3.0所示.
與串聯(lián)諧振電路相比,圖4.0所示的電路在晶體故障時不會繼續(xù)振蕩,并且如果需要調(diào)整則提供頻率調(diào)節(jié)手段.所有振蕩器電路都依靠噪聲作為啟動振蕩的手段;并聯(lián)電路通過電容器的介質(zhì)提供額外的噪聲.在使用集成電路的應(yīng)用中推薦使用所謂的"并聯(lián)諧振"電路.
本文僅簡要概述有源晶振電路的基礎(chǔ)知識.在任何涉及使用石英晶體振蕩器的應(yīng)用中,強烈建議讀者盡可能早地在設(shè)計階段與他的晶體供應(yīng)商討論這些要求.
在其最簡單的形式中,振蕩器由兩個網(wǎng)絡(luò)組成,即放大器網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò).圖1.0說明了這種基本配置.
圖1.0
正如所料,放大器網(wǎng)絡(luò)放大了所施加信號的強度.反饋網(wǎng)絡(luò)接收該信號,校正可能存在的任何異相情況,然后將信號返回到放大器網(wǎng)絡(luò)和振蕩器的輸出級.只要振蕩器通電,該過程就會持續(xù).由于所討論的設(shè)備的性質(zhì),我們可能理所當(dāng)然地認為反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入側(cè)將存在異相條件.基于以上所述,反饋網(wǎng)絡(luò)似乎對振蕩器的成功運行至關(guān)重要,事實上,情況絕對如此.雖然可以使用諸如LCR網(wǎng)絡(luò)之類的分立組件的某種組合作為相位校正機制,但經(jīng)驗表明這種方法很少令人滿意.這樣的電路將具有非常低的"Q"值并且在物理上將非常大.然而,其最大的缺點是這種網(wǎng)絡(luò)完全不能在任何顯著的溫度偏差下保持合理的頻率穩(wěn)定性.
因為振蕩器的通常目標是為輸出級提供特定的,良好控制的頻率,所以需要精確的相位校正方法.經(jīng)驗表明,壓電石英晶體單元非常適合這項任務(wù).
出于本討論的目的,我們假設(shè)圖1.0的放大器網(wǎng)絡(luò)由集成電路組成,反饋網(wǎng)絡(luò)由石英晶體組成.在振蕩器電路按預(yù)期運行之前,必須滿足兩個條件:
1.電路周圍的環(huán)路增益必須等于1或1.這可以通過放大器網(wǎng)絡(luò)的自限制特性或通過一些外部增益控制電路來實現(xiàn).
2.電路周圍的凈相移必須等于2pn,其中n是整數(shù),通常為1或2.在我們的本例中,石英晶振負責(zé)將相位移動到滿足條件2所需的程度.如果信號非常不同相,頻率遠離諧振器的諧振頻率,則振蕩器將無法按預(yù)期運行（如果有的話）.
施加信號的相位變化不僅導(dǎo)致頻率的變化,而且導(dǎo)致電抗的變化.雖然振蕩器內(nèi)的所有組件可能或多或少地引起電抗的變化,但是石英晶體的電抗非常明顯,以至于可以假設(shè)其他組件具有零電抗.
圖2.0顯示了石英晶體的電抗曲線.
如果我們以接近晶振自然諧振頻率的頻率施加交變信號,晶體將通過壓電效應(yīng)激勵.隨著頻率的增加,我們將達到晶體電阻的程度最小,電流最大.該點被識別為"串聯(lián)"諧振頻率,在上面表示為"fs".此時晶體在零相位處諧振.如果我們繼續(xù)增加頻率,我們將達到另一個零相位點,稱為"反"或"平行"諧振點.此時,晶體單元的電阻最大,電流最小.該頻率固有地不穩(wěn)定,不應(yīng)選擇作為振蕩器的工作頻率.圖2.0還示出了被識別為"通常并聯(lián)共振區(qū)域"的區(qū)域.出于我們的目的,我們將該區(qū)域內(nèi)的頻率視為"并行"頻率.
正如有兩個與石英晶體相關(guān)的零相位頻率,有兩種基本類型的石英晶體振蕩器.與晶體一樣,第一種稱為串聯(lián)諧振型,如圖3.0所示.
圖3.0
圖3.0所示的串聯(lián)諧振電路能夠在發(fā)生晶體故障時以某種非晶體控制頻率振蕩.如果需要,該電路不提供頻率調(diào)整.該電路有時也很難啟動.此外,真正的串聯(lián)電路在生產(chǎn)中非常難以實現(xiàn),因此輸出頻率通常與設(shè)計參數(shù)略有不同(如果僅有的話).
圖4.0
第二種類型的電路是"并聯(lián)諧振"電路,如圖4.0所示.您將立即注意到包含兩個電容,稱為CL1和CL2.這些電容器位于貼片晶振外部,具有將諧振頻率提高到高于串聯(lián)諧振頻率的效果.特別注意,振蕩器頻率增加而不是晶體頻率.這個頻率通常被稱為"并行"頻率,但實際上這是一個誤稱.該頻率來自包含電容器,應(yīng)恰當(dāng)?shù)胤Q為"負載諧振"頻率.由于電容器將頻率增加到高于串聯(lián)諧振頻率的點,因此必須仔細計算和指定它們的值.與串聯(lián)諧振電路相比,圖4.0所示的電路在晶體故障時不會繼續(xù)振蕩,并且如果需要調(diào)整則提供頻率調(diào)節(jié)手段.所有振蕩器電路都依靠噪聲作為啟動振蕩的手段;并聯(lián)電路通過電容器的介質(zhì)提供額外的噪聲.在使用集成電路的應(yīng)用中推薦使用所謂的"并聯(lián)諧振"電路.
本文僅簡要概述有源晶振電路的基礎(chǔ)知識.在任何涉及使用石英晶體振蕩器的應(yīng)用中,強烈建議讀者盡可能早地在設(shè)計階段與他的晶體供應(yīng)商討論這些要求.
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