晶體振蕩器的特性及應(yīng)用電路

在家中或工作中遇到的大多數(shù)電子系統(tǒng)都將包含至少一個振蕩器，該振蕩器用作提供準(zhǔn)確定時、同步操作或用作頻率參考的時鐘。在這里，我們將了解使用石英晶體振蕩器的許多好處并討論可用的選擇。

在基于微處理器的系統(tǒng)中有許多不同的時鐘信號，用于執(zhí)行指令、提供外部通信接口以及將數(shù)據(jù)移入和移出存儲器。

雖然直接嵌入式控制器的時鐘頻率可能在幾兆赫茲左右，但 PC 的時鐘頻率通常預(yù)計具有 15MHz 的時鐘輸入，然后將其乘以為 CPU 和其他子系統(tǒng)提供時鐘。系統(tǒng)中的其他組件很可能有自己的時鐘要求，例如以太網(wǎng)控制器的 25MHz 時鐘或實時時鐘 （RTC） 所需的 32.768kHz。

此外，精確的頻率參考是射頻 （RF） 系統(tǒng)的先決條件，以促進端到端通信并確保濾除不受歡迎的噪聲和信號。

主要振蕩器特性

除了提供指定頻率外，振蕩器可能還必須滿足更多需求，具體取決于應(yīng)用的性質(zhì)。例如，一些應(yīng)用需要精確定義的頻率，這對于需要通過無線或串行接口與其他設(shè)備進行通信的系統(tǒng)來說尤其重要。像這樣的精度通常以百萬分之幾 （ppm） 來衡量。

低功耗在電池供電或手持設(shè)備中至關(guān)重要，尤其適用于 RTC，它始終處于活動狀態(tài)，即使在待機和低功耗模式下也是如此。

最后，需要確定成本、外形尺寸和操作環(huán)境等因素。

完美的音調(diào)

每個振蕩器都采用一種諧振或調(diào)諧電路，以及放大和反饋，以產(chǎn)生特定頻率的輸出。

可以在電感-電容 （LC） 或電阻-電容 （RC） 網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建調(diào)諧電路，這兩種網(wǎng)絡(luò)都是簡單的組件，可以在很寬的范圍內(nèi)改變頻率。然而，創(chuàng)建精確的 LC 或 RC 振蕩器需要使用昂貴的精密元件；即便如此，它們也并不總能滿足大多數(shù)應(yīng)用所需的最高精度和穩(wěn)定性。

晶體諧振器由石英制成，其極高的物理穩(wěn)定性使其成為諧振元件的首選。它被切割成兩個平行的面，上面有金屬觸點。石英顯示出壓電效應(yīng)，這意味著當(dāng)置于壓力下時，會在表面上產(chǎn)生電壓。同樣，施加的電壓會導(dǎo)致晶體在剪切運動中改變形狀。

此外，反饋使晶體以其自然諧振頻率振蕩，這取決于晶體的尺寸和切割方式。最常見的切割形式稱為 AT，可以在很寬的頻率范圍內(nèi)部署，并表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。

憑借非常高的品質(zhì) （Q） 因子，晶體諧振器表現(xiàn)出高度準(zhǔn)確和極其穩(wěn)定的頻率，這意味著它們可以用作非常精確、低成本振蕩器的基礎(chǔ)產(chǎn)品。

晶體結(jié)構(gòu)及對應(yīng)電路

晶體諧振器及其對應(yīng)電路的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其中 Cp 值表示兩個平行電極的電容。分量 Rs、Ls 和 Cs 代表晶體的內(nèi)摩擦、質(zhì)量和彈性等力學(xué)性能。

相應(yīng)的電路表明存在兩種可能的諧振頻率：一種是由于 Ls 和 Cs 的串聯(lián)，另一種是 Cp 與電感并聯(lián)。該串聯(lián)諧振定義為：

串聯(lián)共振公式

并聯(lián)諧振頻率表示為：

并聯(lián)諧振頻率公式

這兩個頻率通常相差不到 1%，由振蕩器電路定義要采用哪一種諧振模式。在這種情況下，大多數(shù)振蕩器使用并行模式。

對于高于 75MHz 標(biāo)記的更高頻率，晶體能夠以基頻或泛音的倍數(shù)振蕩。

振蕩器電路

振蕩器電路通常包含在需要參考時鐘信號的設(shè)備中。例如，許多微控制器和類似的應(yīng)用程序包含兩個引腳，您可以直接將晶體產(chǎn)品連接到這些引腳，以及一對陶瓷電容器以完成振蕩電路。

振蕩器元件和雜散電容

電路的總負載電容 （CL） 必須滿足晶振的規(guī)定 CL。這包括陶瓷電容器以及源自晶體封裝、振蕩器輸入引腳和電路板走線的任何雜散電容。

由于準(zhǔn)確計算電路內(nèi)的雜散和寄生電容組合非常棘手，因此請嘗試從估計值（通常約為 4 到 6pF）開始，然后測量輸出頻率以確定電容器的值是否需要調(diào)整。

但是，如果總 CL 大于指定的 CL，則振蕩頻率會降低。同樣，CL 太低的地方，頻率會更高；如果 CL 在任一方向上太遠，則振蕩器可能根本不會啟動。

圖 3. 振蕩器電路

上圖顯示了使用晶體管或反相邏輯門作為反饋放大器構(gòu)建的外部振蕩器電路。由于設(shè)計高質(zhì)量的振蕩器是一項艱巨的挑戰(zhàn)，即使大多數(shù)晶體零售商都提供設(shè)計指南，購買現(xiàn)成的振蕩器模塊可能更容易。此類振蕩器模塊包含晶體和所需的所有組件，包括負載電容器，可確保您獲得具有成本效益的高性能振蕩器。所有這一切都取決于您提供適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源。

對于需要精確和可靠頻率的應(yīng)用，如無線通信系統(tǒng)或以太網(wǎng)接口，晶體振蕩器模塊是一個不錯的選擇。Diodes Inc. 生產(chǎn)各種尺寸和 ppm 精度的晶體振蕩器產(chǎn)品，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。

主題變奏曲

外部 CL 頻率波動的事實開啟了構(gòu)建晶體振蕩器的可能性，該晶體振蕩器的輸出可以在小范圍內(nèi)進行調(diào)整。這在 RF 應(yīng)用中證明是很方便的，在這些應(yīng)用中，接收器必須微調(diào)自己的頻率以對應(yīng)接收到的信號。

壓控晶體振蕩器 （VCXO） 采用稱為變?nèi)?a target="_blank">二極管（或變?nèi)荻O管）的器件作為負載電容器。變?nèi)荻O管的電容隨著施加的控制電壓而改變，這隨后改變了振蕩頻率。

VCXO 的主要限制是“可拉性”、時鐘抖動和控制電壓范圍：

“牽引性”概述了控制電壓的任何給定變化的頻率變化；較大的值表明振蕩器可以在較大的范圍內(nèi)工作，但較小的值會導(dǎo)致更好的穩(wěn)定性并降低相位噪聲。最大調(diào)諧范圍通常在 +/-200ppm 左右。

時鐘抖動發(fā)生在高于固定頻率振蕩器的情況下，尤其是在其工作在其極限的調(diào)諧范圍的外部極端。

控制電壓通常為 0V 至 2 或 3V。

當(dāng)您需要比普通晶體振蕩器在工作溫度范圍內(nèi)更高的穩(wěn)定性（例如小于 10ppm）時，您需要選擇溫度補償晶體振蕩器 （TCXO）。與前面提到的標(biāo)準(zhǔn)振蕩器模塊一樣，這些模塊也可作為現(xiàn)成的模塊提供，并帶有廣泛的參數(shù)。

TCXO 包含一個電路，該電路能夠測量環(huán)境溫度，然后生成控制電壓來修改 VCXO 的頻率，以抵消溫度變化的影響。TCXO 根據(jù)晶體的溫度-頻率響應(yīng)曲線計算所需的控制電壓。

此外，TCXO 模塊通常包含自己的穩(wěn)壓器，以保護振蕩器免受外部電源電壓變化的影響。

結(jié)論

作為諧振元件，石英晶體提供了非常精確、穩(wěn)定和廉價的頻率參考。此外，晶體和晶體振蕩器現(xiàn)在具有一系列令人印象深刻的參數(shù)和應(yīng)用，可以滿足您的設(shè)計要求。

更重要的是，許多器件集成了振蕩器電路，進一步促進了設(shè)計過程。如果您需要更高質(zhì)量的時鐘，晶體振蕩器模塊可以提供有效的替代方案，展示出比其集成振蕩器等效產(chǎn)品更高的精度和更好的穩(wěn)定性；請記住，這些模塊還提供電壓控制頻率或溫度補償。