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更多>>每個工程師應該知道有源晶振
來源：http://www.jqhs.com.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定時頻發生器的設備,特別是那些提供數據處理設備使用的時鐘信號的設備.由于具有內置計時功能的微處理器設備的激增,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,振蕩器由兩個網絡組成,即放大器網絡和反饋網絡.圖1.0說明了這種基本配置.
基于以上所述,反饋網絡似乎對振蕩器的成功運行至關重要,事實上,情況絕對如此.雖然可以使用諸如LCR網絡之類的分立組件的某種組合作為相位校正機制,但經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絡完全不能在任何顯著的溫度偏差下保持合理的頻率穩定性.
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.經驗表明,壓電石英晶體單元非常適合這項任務.
出于本討論的目的,我們假設圖1.0的放大器網絡由集成電路組成,反饋網絡由石英晶體組成.在振蕩器電路按預期運行之前,必須滿足兩個條件:
1.電路周圍的環路增益必須等于1或1.這可以通過放大器網絡的自限制特性或通過一些外部增益控制電路來實現.
2.電路周圍的凈相移必須等于2pn,其中n是整數,通常為1或2.在我們的本例中,石英晶振負責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期運行（如果有的話）.
施加信號的相位變化不僅導致頻率的變化,而且導致電抗的變化.雖然振蕩器內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,以至于可以假設其他組件具有零電抗.
如果我們繼續增加頻率,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.該頻率固有地不穩定,不應選擇作為振蕩器的工作頻率.圖2.0還示出了被識別為"通常并聯共振區域"的區域.出于我們的目的,我們將該區域內的頻率視為"并行"頻率.
正如有兩個與石英晶體相關的零相位頻率,有兩種基本類型的石英晶體振蕩器.與晶體一樣,第一種稱為串聯諧振型,如圖3.0所示.
與串聯諧振電路相比,圖4.0所示的電路在晶體故障時不會繼續振蕩,并且如果需要調整則提供頻率調節手段.所有振蕩器電路都依靠噪聲作為啟動振蕩的手段;并聯電路通過電容器的介質提供額外的噪聲.在使用集成電路的應用中推薦使用所謂的"并聯諧振"電路.
本文僅簡要概述有源晶振電路的基礎知識.在任何涉及使用石英晶體振蕩器的應用中,強烈建議讀者盡可能早地在設計階段與他的晶體供應商討論這些要求.
在其最簡單的形式中,振蕩器由兩個網絡組成,即放大器網絡和反饋網絡.圖1.0說明了這種基本配置.
圖1.0
正如所料,放大器網絡放大了所施加信號的強度.反饋網絡接收該信號,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絡和振蕩器的輸出級.只要振蕩器通電,該過程就會持續.由于所討論的設備的性質,我們可能理所當然地認為反饋網絡的輸入側將存在異相條件.基于以上所述,反饋網絡似乎對振蕩器的成功運行至關重要,事實上,情況絕對如此.雖然可以使用諸如LCR網絡之類的分立組件的某種組合作為相位校正機制,但經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絡完全不能在任何顯著的溫度偏差下保持合理的頻率穩定性.
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.經驗表明,壓電石英晶體單元非常適合這項任務.
出于本討論的目的,我們假設圖1.0的放大器網絡由集成電路組成,反饋網絡由石英晶體組成.在振蕩器電路按預期運行之前,必須滿足兩個條件:
1.電路周圍的環路增益必須等于1或1.這可以通過放大器網絡的自限制特性或通過一些外部增益控制電路來實現.
2.電路周圍的凈相移必須等于2pn,其中n是整數,通常為1或2.在我們的本例中,石英晶振負責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期運行（如果有的話）.
施加信號的相位變化不僅導致頻率的變化,而且導致電抗的變化.雖然振蕩器內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"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.該頻率固有地不穩定,不應選擇作為振蕩器的工作頻率.圖2.0還示出了被識別為"通常并聯共振區域"的區域.出于我們的目的,我們將該區域內的頻率視為"并行"頻率.
正如有兩個與石英晶體相關的零相位頻率,有兩種基本類型的石英晶體振蕩器.與晶體一樣,第一種稱為串聯諧振型,如圖3.0所示.
圖3.0
圖3.0所示的串聯諧振電路能夠在發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整.該電路有時也很難啟動.此外,真正的串聯電路在生產中非常難以實現,因此輸出頻率通常與設計參數略有不同(如果僅有的話).
圖4.0
第二種類型的電路是"并聯諧振"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,應恰當地稱為"負載諧振"頻率.由于電容器將頻率增加到高于串聯諧振頻率的點,因此必須仔細計算和指定它們的值.與串聯諧振電路相比,圖4.0所示的電路在晶體故障時不會繼續振蕩,并且如果需要調整則提供頻率調節手段.所有振蕩器電路都依靠噪聲作為啟動振蕩的手段;并聯電路通過電容器的介質提供額外的噪聲.在使用集成電路的應用中推薦使用所謂的"并聯諧振"電路.
本文僅簡要概述有源晶振電路的基礎知識.在任何涉及使用石英晶體振蕩器的應用中,強烈建議讀者盡可能早地在設計階段與他的晶體供應商討論這些要求.
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