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更多>>石英晶體振蕩器操作理論
來源：http://www.jqhs.com.cn 作者：康比電子 2019年03月12
石英晶體振蕩器是精度高和穩(wěn)定度高的振蕩器,被廣泛應(yīng)用于彩電,計(jì)算機(jī),遙控器等各類振蕩電路中,以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器,為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號,目前晶體控制振蕩器可以被認(rèn)為包括放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分放大器輸出并將其返回放大器輸入端.詳情如下:
這種電路的概括描述如下所示.
為了使振蕩器電路工作,有兩(2)個條件
必須滿足:
(一)環(huán)路功率增益必須等于1.
(二)環(huán)路相移必須等于0,2Pi,4Pi等.弧度.
反饋到放大器輸入端的功率必須足以提供振蕩器輸出,放大器輸入以及克服電路損耗.
振蕩器工作的確切頻率取決于振蕩器電路中的環(huán)路相位角偏移.相位角的任何凈變化都會導(dǎo)致輸出頻率的變化.由于有源晶振振蕩器的通常目標(biāo)是提供基本上獨(dú)立于變量的頻率,因此必須采用一些方法來最小化凈相移.也許最小化凈相移的最好,當(dāng)然也是最常見的方法是在反饋環(huán)路中使用石英晶振單元.
石英晶體的阻抗隨著施加頻率的變化而發(fā)生巨大變化,以至于所有其他電路元件都可以被認(rèn)為具有基本恒定的電抗.因此,當(dāng)晶體單元用在振蕩器的反饋環(huán)路中時,晶體單元的頻率將自我調(diào)節(jié),使得晶體單元呈現(xiàn)滿足環(huán)路相位要求的電抗.石英晶體單元的電抗與頻率的關(guān)系如下所示.
從圖2.0可以明顯看出,石英晶體單元有兩個零相位頻率.第一個或兩個頻率中的較低一個是串聯(lián)諧振頻率,通常縮寫為Fs.零相位兩個頻率中的第二個或更高的頻率是并聯(lián)或反諧振頻率,通常縮寫為Fa.串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率在振蕩器電路中都表現(xiàn)出電阻性.在串聯(lián)諧振點(diǎn),電阻最小,電流最大.
在平行點(diǎn),電阻最大,電流最小.因此,并聯(lián)諧振頻率Fa不應(yīng)用作振蕩器電路的控制頻率.
通過在振蕩器電路的反饋回路中包括電抗元件(通常是電容器),可以使石英晶體單元在串聯(lián)和并聯(lián)諧振點(diǎn)之間的線上的任何點(diǎn)振蕩.在這種情況下,振蕩頻率將高于串聯(lián)諧振頻率,但低于并聯(lián)諧振頻率.由于電容增加導(dǎo)致的頻率高于串聯(lián)諧振頻率,所以通常稱為并聯(lián)頻率,盡管它低于真正的并聯(lián)頻率.
正如石英晶體單元有兩個零相位頻率一樣,也有兩個主振蕩器電路.這些電路通常用所用晶振單元的類型來描述,即"串聯(lián)"或"并聯(lián)"
串聯(lián)電路:
串聯(lián)諧振振蕩器電路使用晶體,該晶體被設(shè)計(jì)成在其自然串聯(lián)諧振頻率下工作.在這種電路中,反饋回路中沒有電容.使用串聯(lián)諧振振蕩器電路主要是因?yàn)樗鼈兊脑?shù)量很少.然而,這些電路可以提供不同于通過晶體單元的反饋路徑.因此,在晶體失效的情況下,這種電路可能繼續(xù)以任意頻率振蕩.基本串聯(lián)諧振振蕩器電路的描述如下.
從圖3.0中可以明顯看出,如果需要調(diào)整,串聯(lián)諧振振蕩器電路無法調(diào)整輸出頻率.在上述電路中,電阻器R1用于偏置逆變器并使其在其線性區(qū)域內(nèi)工作.該電阻還向逆變器提供負(fù)反饋.電容器C1是耦合電容器,用于阻擋DC電壓.電阻器R2用于偏置晶體單元.該電阻強(qiáng)烈影響晶體單元的驅(qū)動電流,因此必須注意不要選擇太小的值.晶體單元Y1是串聯(lián)諧振晶體單元,指定以期望的頻率和期望的頻率容差和穩(wěn)定性工作.
并聯(lián)電路:
并聯(lián)諧振振蕩器電路使用晶體單元,該貼片晶振單元被設(shè)計(jì)成在負(fù)載電容的特定值下工作.這將導(dǎo)致晶體頻率高于串聯(lián)諧振頻率但低于真正的并聯(lián)諧振頻率.這些電路除了通過晶體單元外,不提供路徑來完成反饋環(huán)路.如果晶體單元出現(xiàn)故障,電路將不會繼續(xù)振蕩.并聯(lián)諧振電路的基本描述如下
該電路使用單個逆變器,反饋回路中有兩個電容.這些電容包括"負(fù)載電容",并與晶體單元一起確定振蕩器的工作頻率.隨著負(fù)載電容值的變化,振蕩器的輸出頻率也隨之變化.因此,如果需要調(diào)整,該電路確實(shí)提供了調(diào)整輸出頻率的便利手段被要求.
電阻器R1和R2具有與圖3.0所示串聯(lián)諧振電路相同的功能.兩個負(fù)載電容CL1和CL2用于確定晶體單元以及振蕩器的工作頻率.晶體單元Y1是并聯(lián)諧振晶體單元,被指定以負(fù)載電容的指定值,期望的頻率以及期望的頻率容限和穩(wěn)定性工作.
負(fù)載電容:
參考了"負(fù)載電容的指定值".負(fù)載電容可以定義為"晶體連接點(diǎn)上振蕩器電路中存在的電容值,無論是測量的還是計(jì)算的"在串聯(lián)諧振電路的情況下,晶體單元的連接點(diǎn)之間不存在電容,因此,不需要為串聯(lián)諧振壓電石英晶體單元指定負(fù)載電容.在并聯(lián)諧振振蕩器電路的情況下,存在電容.由于直接測量該電容是不切實(shí)際的,通常需要計(jì)算該值.負(fù)載電容值的計(jì)算通過以下等式完成:
其中CL1和CL2為負(fù)載電容,CS為電路雜散電容,通常為3.0至5.0pF.
必須注意,負(fù)載電容值的變化將導(dǎo)致振蕩器輸出頻率的變化.因此,如果需要精確的頻率控制,則需要負(fù)載電容的精確規(guī)格.為了說明,假設(shè)晶體單元被指定在20.000MHz的頻率下工作,負(fù)載電容為20.0pF.假設(shè)晶體單元然后被放置在呈現(xiàn)30.0pF值的電路中.晶體單元的頻率將低于規(guī)定值.相反,如果有問題的電路出現(xiàn)10.0pF的值,頻率將高于規(guī)定值.頻率和負(fù)載電容之間的關(guān)系如下所示.
驅(qū)動水平:
"驅(qū)動電平"是晶體單元在工作時消耗的功率.功率是外加電流的函數(shù),通常用毫瓦或微瓦表示.晶體單元被指定為具有一定的驅(qū)動電平最大值,該值隨著頻率和操作模式的變化而變化.最好咨詢晶體單元供應(yīng)商,了解特定晶體單元允許的最大驅(qū)動電平值.超過給定晶體單元的最大驅(qū)動水平可能會導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定,老化率增加,并且在某些情況下會導(dǎo)致災(zāi)難性損壞.驅(qū)動水平可以通過以下等式計(jì)算:
其中,I是通過晶體單元的均方根電流,R是所討論的特定晶體單元的最大電阻值.等式(2)簡單地表示功率的"歐姆定律".
工作振蕩器電路中實(shí)際驅(qū)動電平的測量可以通過暫時插入與晶體單元串聯(lián)的電阻來完成.電阻器必須與晶體單元具有相同的歐姆值.然后可以讀取電阻兩端的壓降,并計(jì)算電流和功耗.然后必須移除電阻器.作為測量驅(qū)動電平的替代方法,如果空間允許,可以在32.768K晶體單元的輸出引線處使用電流探針.
頻率與泛音模式:
石英晶體單元的頻率受物理振動石英元件的尺寸.在某些情況下,限制尺寸是長度和寬度.在這種情況下最受歡迎的晶體單元"AT"切割晶體單元極限尺寸是振動石英的厚度元素.隨著厚度的減小,頻率為增加了.在某個時刻,通常在30.000MHz左右石英板的厚度變得太薄,無法加工.如果希望開發(fā)一個頻率的振蕩器高于極限頻率時,必須利用優(yōu)勢石英晶體單元將以奇數(shù)振蕩的事實(shí)他們"基本"頻率的倍數(shù).我們可以定義"基本"頻率是指在給定的一組機(jī)械尺寸下自然發(fā)生."因此,如果晶體單元的基頻為10.0MHz時,也可以在3,5,7等頻率下振蕩.倍最基本的.也就是說,該單元將在30.0,50.0,70.0等.兆赫.基頻的倍數(shù)被稱為"泛音",由乘法,如"第三泛音","第五泛音",等等.當(dāng)需要在泛音頻率下使用時,晶體必須指定裝置以所需頻率運(yùn)行,并且期望的泛音.一個人不應(yīng)該試圖訂購一個基模有源晶振單元,然后在泛音頻率.這是因?yàn)樗е圃爝^程因基頻和泛音而異水晶單位.在許多情況下,所用集成電路的特性在特定的振蕩器設(shè)計(jì)中,要求基波晶體單元的頻率被抑制以確保以期望的頻率和期望的泛音工作.在這種情況下,通常需要修改振蕩器電路.一種修改方法是增加一個"儲能"電路,包括電感器和電容器.這些修改如圖6.0和7.0所示
圖6.0描述了串聯(lián)諧振電路的修改雖然圖7.0描述了并聯(lián)諧振的修改電路.
在這兩種情況下,振蕩電路都被調(diào)諧到基頻和所需頻率之間的某個頻率上諧振.這導(dǎo)致不想要的頻率被分流到地,只在振蕩器的輸出端留下想要的頻率.
設(shè)計(jì)考慮:
為了振蕩器電路的良好運(yùn)行,應(yīng)遵循某些設(shè)計(jì)考慮.在所有情況下,建議避免平行走線,以降低電路雜散電容.所有走線應(yīng)盡可能短,部件應(yīng)隔離,以防止耦合.接地層應(yīng)該用來隔離信號.
負(fù)電阻:
為了獲得最佳性能,石英晶體振蕩器振蕩器電路的設(shè)計(jì)必須能夠提高"負(fù)電阻",這種電阻有時被稱為"振蕩容限"給定電路中負(fù)電阻值的評估是通過臨時安裝一個與晶體單元串聯(lián)的可變電阻來完成的.電阻最初應(yīng)設(shè)置在其最低設(shè)置,最好接近零歐姆.振蕩器隨后啟動,輸出在示波器上監(jiān)控.然后調(diào)節(jié)可變電阻,以便在連續(xù)監(jiān)控輸出的同時增加電阻.在某個電阻值時,振蕩將停止.此時,測量可變電阻以確定振蕩停止時的歐姆值.必須將供應(yīng)商規(guī)定的石英晶體單元的最大電阻加到該值上.總歐姆電阻被認(rèn)為是"負(fù)電阻"或"振蕩容限"為了電路工作良好,可靠,建議負(fù)電阻至少為的規(guī)定最大電阻值的五倍
水晶單元.
負(fù)電阻值超過晶體單元最大電阻的五倍更好.由于負(fù)電阻在高溫下會降低,建議在最高溫度下進(jìn)行測試操作范圍的.
這種電路的概括描述如下所示.
必須滿足:
(一)環(huán)路功率增益必須等于1.
(二)環(huán)路相移必須等于0,2Pi,4Pi等.弧度.
反饋到放大器輸入端的功率必須足以提供振蕩器輸出,放大器輸入以及克服電路損耗.
振蕩器工作的確切頻率取決于振蕩器電路中的環(huán)路相位角偏移.相位角的任何凈變化都會導(dǎo)致輸出頻率的變化.由于有源晶振振蕩器的通常目標(biāo)是提供基本上獨(dú)立于變量的頻率,因此必須采用一些方法來最小化凈相移.也許最小化凈相移的最好,當(dāng)然也是最常見的方法是在反饋環(huán)路中使用石英晶振單元.
石英晶體的阻抗隨著施加頻率的變化而發(fā)生巨大變化,以至于所有其他電路元件都可以被認(rèn)為具有基本恒定的電抗.因此,當(dāng)晶體單元用在振蕩器的反饋環(huán)路中時,晶體單元的頻率將自我調(diào)節(jié),使得晶體單元呈現(xiàn)滿足環(huán)路相位要求的電抗.石英晶體單元的電抗與頻率的關(guān)系如下所示.
在平行點(diǎn),電阻最大,電流最小.因此,并聯(lián)諧振頻率Fa不應(yīng)用作振蕩器電路的控制頻率.
通過在振蕩器電路的反饋回路中包括電抗元件(通常是電容器),可以使石英晶體單元在串聯(lián)和并聯(lián)諧振點(diǎn)之間的線上的任何點(diǎn)振蕩.在這種情況下,振蕩頻率將高于串聯(lián)諧振頻率,但低于并聯(lián)諧振頻率.由于電容增加導(dǎo)致的頻率高于串聯(lián)諧振頻率,所以通常稱為并聯(lián)頻率,盡管它低于真正的并聯(lián)頻率.
正如石英晶體單元有兩個零相位頻率一樣,也有兩個主振蕩器電路.這些電路通常用所用晶振單元的類型來描述,即"串聯(lián)"或"并聯(lián)"
串聯(lián)電路:
串聯(lián)諧振振蕩器電路使用晶體,該晶體被設(shè)計(jì)成在其自然串聯(lián)諧振頻率下工作.在這種電路中,反饋回路中沒有電容.使用串聯(lián)諧振振蕩器電路主要是因?yàn)樗鼈兊脑?shù)量很少.然而,這些電路可以提供不同于通過晶體單元的反饋路徑.因此,在晶體失效的情況下,這種電路可能繼續(xù)以任意頻率振蕩.基本串聯(lián)諧振振蕩器電路的描述如下.
并聯(lián)電路:
并聯(lián)諧振振蕩器電路使用晶體單元,該貼片晶振單元被設(shè)計(jì)成在負(fù)載電容的特定值下工作.這將導(dǎo)致晶體頻率高于串聯(lián)諧振頻率但低于真正的并聯(lián)諧振頻率.這些電路除了通過晶體單元外,不提供路徑來完成反饋環(huán)路.如果晶體單元出現(xiàn)故障,電路將不會繼續(xù)振蕩.并聯(lián)諧振電路的基本描述如下
電阻器R1和R2具有與圖3.0所示串聯(lián)諧振電路相同的功能.兩個負(fù)載電容CL1和CL2用于確定晶體單元以及振蕩器的工作頻率.晶體單元Y1是并聯(lián)諧振晶體單元,被指定以負(fù)載電容的指定值,期望的頻率以及期望的頻率容限和穩(wěn)定性工作.
負(fù)載電容:
參考了"負(fù)載電容的指定值".負(fù)載電容可以定義為"晶體連接點(diǎn)上振蕩器電路中存在的電容值,無論是測量的還是計(jì)算的"在串聯(lián)諧振電路的情況下,晶體單元的連接點(diǎn)之間不存在電容,因此,不需要為串聯(lián)諧振壓電石英晶體單元指定負(fù)載電容.在并聯(lián)諧振振蕩器電路的情況下,存在電容.由于直接測量該電容是不切實(shí)際的,通常需要計(jì)算該值.負(fù)載電容值的計(jì)算通過以下等式完成:
必須注意,負(fù)載電容值的變化將導(dǎo)致振蕩器輸出頻率的變化.因此,如果需要精確的頻率控制,則需要負(fù)載電容的精確規(guī)格.為了說明,假設(shè)晶體單元被指定在20.000MHz的頻率下工作,負(fù)載電容為20.0pF.假設(shè)晶體單元然后被放置在呈現(xiàn)30.0pF值的電路中.晶體單元的頻率將低于規(guī)定值.相反,如果有問題的電路出現(xiàn)10.0pF的值,頻率將高于規(guī)定值.頻率和負(fù)載電容之間的關(guān)系如下所示.
"驅(qū)動電平"是晶體單元在工作時消耗的功率.功率是外加電流的函數(shù),通常用毫瓦或微瓦表示.晶體單元被指定為具有一定的驅(qū)動電平最大值,該值隨著頻率和操作模式的變化而變化.最好咨詢晶體單元供應(yīng)商,了解特定晶體單元允許的最大驅(qū)動電平值.超過給定晶體單元的最大驅(qū)動水平可能會導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定,老化率增加,并且在某些情況下會導(dǎo)致災(zāi)難性損壞.驅(qū)動水平可以通過以下等式計(jì)算:
工作振蕩器電路中實(shí)際驅(qū)動電平的測量可以通過暫時插入與晶體單元串聯(lián)的電阻來完成.電阻器必須與晶體單元具有相同的歐姆值.然后可以讀取電阻兩端的壓降,并計(jì)算電流和功耗.然后必須移除電阻器.作為測量驅(qū)動電平的替代方法,如果空間允許,可以在32.768K晶體單元的輸出引線處使用電流探針.
頻率與泛音模式:
石英晶體單元的頻率受物理振動石英元件的尺寸.在某些情況下,限制尺寸是長度和寬度.在這種情況下最受歡迎的晶體單元"AT"切割晶體單元極限尺寸是振動石英的厚度元素.隨著厚度的減小,頻率為增加了.在某個時刻,通常在30.000MHz左右石英板的厚度變得太薄,無法加工.如果希望開發(fā)一個頻率的振蕩器高于極限頻率時,必須利用優(yōu)勢石英晶體單元將以奇數(shù)振蕩的事實(shí)他們"基本"頻率的倍數(shù).我們可以定義"基本"頻率是指在給定的一組機(jī)械尺寸下自然發(fā)生."因此,如果晶體單元的基頻為10.0MHz時,也可以在3,5,7等頻率下振蕩.倍最基本的.也就是說,該單元將在30.0,50.0,70.0等.兆赫.基頻的倍數(shù)被稱為"泛音",由乘法,如"第三泛音","第五泛音",等等.當(dāng)需要在泛音頻率下使用時,晶體必須指定裝置以所需頻率運(yùn)行,并且期望的泛音.一個人不應(yīng)該試圖訂購一個基模有源晶振單元,然后在泛音頻率.這是因?yàn)樗е圃爝^程因基頻和泛音而異水晶單位.在許多情況下,所用集成電路的特性在特定的振蕩器設(shè)計(jì)中,要求基波晶體單元的頻率被抑制以確保以期望的頻率和期望的泛音工作.在這種情況下,通常需要修改振蕩器電路.一種修改方法是增加一個"儲能"電路,包括電感器和電容器.這些修改如圖6.0和7.0所示
在這兩種情況下,振蕩電路都被調(diào)諧到基頻和所需頻率之間的某個頻率上諧振.這導(dǎo)致不想要的頻率被分流到地,只在振蕩器的輸出端留下想要的頻率.
設(shè)計(jì)考慮:
為了振蕩器電路的良好運(yùn)行,應(yīng)遵循某些設(shè)計(jì)考慮.在所有情況下,建議避免平行走線,以降低電路雜散電容.所有走線應(yīng)盡可能短,部件應(yīng)隔離,以防止耦合.接地層應(yīng)該用來隔離信號.
負(fù)電阻:
為了獲得最佳性能,石英晶體振蕩器振蕩器電路的設(shè)計(jì)必須能夠提高"負(fù)電阻",這種電阻有時被稱為"振蕩容限"給定電路中負(fù)電阻值的評估是通過臨時安裝一個與晶體單元串聯(lián)的可變電阻來完成的.電阻最初應(yīng)設(shè)置在其最低設(shè)置,最好接近零歐姆.振蕩器隨后啟動,輸出在示波器上監(jiān)控.然后調(diào)節(jié)可變電阻,以便在連續(xù)監(jiān)控輸出的同時增加電阻.在某個電阻值時,振蕩將停止.此時,測量可變電阻以確定振蕩停止時的歐姆值.必須將供應(yīng)商規(guī)定的石英晶體單元的最大電阻加到該值上.總歐姆電阻被認(rèn)為是"負(fù)電阻"或"振蕩容限"為了電路工作良好,可靠,建議負(fù)電阻至少為的規(guī)定最大電阻值的五倍
水晶單元.
負(fù)電阻值超過晶體單元最大電阻的五倍更好.由于負(fù)電阻在高溫下會降低,建議在最高溫度下進(jìn)行測試操作范圍的.
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