如何為MAX1470超外差接收機(jī)選擇石英晶體振蕩器

摘要：不同的制造商提供各種形狀與大小的石英晶體，其性能指標(biāo)也各不一樣。這些指標(biāo)包括諧振頻率、諧振模式、負(fù)載電容、串聯(lián)阻抗、 管殼電容以及驅(qū)動(dòng)電平。本應(yīng)用筆記幫助讀者理解這些指標(biāo)參數(shù)，并允許用戶根據(jù)應(yīng)用選擇合適的晶體以及在MAX1470超外差接收機(jī)電路應(yīng)用中獲得最佳效果。

不同的制造商提供各種形狀與大小的石英晶體，其性能指標(biāo)也各不一樣。這些指標(biāo)包括諧振頻率、諧振模式、負(fù)載電容、串聯(lián)阻抗、管殼電容以及驅(qū)動(dòng)電平。本篇應(yīng)用筆記幫助讀者理解這些指標(biāo)參數(shù)，并允許用戶根據(jù)應(yīng)用選擇合適的晶體以及在MAX1470超外差接收機(jī)電路應(yīng)用中獲得最佳效果。

晶體的等效電路見(jiàn)圖1。圖中包括了動(dòng)態(tài)元件：電阻Rs、電感Lm、電容Cm和并聯(lián)電容Co。這些動(dòng)態(tài)元件決定了晶體的串聯(lián)諧振頻率和諧振器的Q值。并聯(lián)電容Co是晶體電極、管殼和引腿作用的結(jié)果。


圖1. 晶體模型

以下詳細(xì)給出主要的性能指標(biāo)。

諧振頻率

晶體頻率可以根據(jù)接收頻率指定。由于MAX1470使用低端注入的10.7MHz中頻，晶體頻率可由下式給出(單位為MHz)：



對(duì)于315MHz應(yīng)用，晶體的頻率可為4.7547MHz，而在433.92MHz應(yīng)用時(shí)需要6.6128MHz晶體。僅基頻模式的晶體需要指定(無(wú)需泛音)。

諧振模式

晶體具有兩種諧振模式：串聯(lián)(兩個(gè)頻率中的低頻率)和并聯(lián)(反諧振，兩個(gè)頻率中的高頻率)。所有在振蕩電路中呈現(xiàn)純阻性時(shí)的晶體都表現(xiàn)出兩種諧振模式。在串聯(lián)諧振模式中，動(dòng)態(tài)電容的容抗Cm、感抗Lm相等且極性相反，阻抗最小。在反諧振點(diǎn)。阻抗卻是最大的，電流是最小的。在振蕩器應(yīng)用中不使用反諧振點(diǎn)。

通過(guò)添加外部元件(通常是電容)，石英晶體可振蕩在串聯(lián)與反諧振頻率之間的任何頻率上。在晶體工業(yè)中，這就是并聯(lián)頻率或者并聯(lián)模式。這個(gè)頻率高于串聯(lián)諧振頻率低于晶體真正的并聯(lián)諧振頻率(反諧振點(diǎn))。圖2給出了典型的晶體阻抗與頻率關(guān)系的特性圖。


圖2. 晶體阻抗相對(duì)頻率

負(fù)載電容和可牽引性

在使用并聯(lián)諧振模式時(shí)負(fù)載電容是晶體一個(gè)重要的指標(biāo)。在該模式當(dāng)中，晶體的總電抗呈現(xiàn)感性，與振蕩器的負(fù)載電容并聯(lián)，形成了LC諧振回路，決定了振蕩器的頻率。當(dāng)負(fù)載電容值改變后，輸出頻率也隨之改變。因而，晶體的生產(chǎn)商必須知道振蕩器電路中的負(fù)載電容，這樣可以在工廠中使用同樣的負(fù)載電容來(lái)校準(zhǔn)。

如果使用諧振在不同的負(fù)載電容上的晶體，那么晶體頻率將偏離額定的工作頻率，這樣參考頻率將引入誤差。因而，需要添加外部電容，改變負(fù)載電容，使晶體重新振蕩到需要的工作頻率上。

圖3給出MAX1470評(píng)估板電路里的晶體圖。在這個(gè)電路中，C14和C15是串聯(lián)牽引電容，而C16是并聯(lián)牽引電容。Cevkit為等效的MAX1470芯片加上評(píng)估PCB的寄生電容。Cevkit約為5pF。


圖3. 評(píng)估板晶體等效電路

串聯(lián)牽引電容會(huì)加快晶體振蕩，而并聯(lián)電容會(huì)減緩振蕩。Cevkit為5pF，如果使用負(fù)載電容為5pF的晶體，會(huì)振蕩到需要的頻率上，因而無(wú)需外部的電容(C16不接，同時(shí)C14和C15在板上短接)。評(píng)估板本身使用3pF負(fù)載電容的晶體，需要兩個(gè)15pF電容串聯(lián)加速振蕩。負(fù)載電容的計(jì)算如下：



在這個(gè)例子中，如果不使用兩個(gè)串聯(lián)電容，4.7547MHz晶體會(huì)振蕩在4.7544MHz，而接收機(jī)將調(diào)諧在314.98MHz而不是315.0MHz，頻率誤差約為20kHz，也就是60ppm。

因而，關(guān)鍵是使用串聯(lián)或者并聯(lián)或者兩種形式匹配晶體的負(fù)載容抗(取決于電容的值)。例如，1pF并聯(lián)電容是6pF負(fù)載電容所需要的(或者以下的結(jié)合形式：C14 = C15 = 27pF, C16 = 5pF)。

謹(jǐn)慎使用大電容值的C16，因?yàn)樗鼤?huì)增大諧振電路的電流，導(dǎo)致晶體停振，圖4給出了并聯(lián)電容和振蕩器電流的關(guān)系圖。


圖4. 晶體振蕩器電流與附加的并聯(lián)負(fù)載電容的關(guān)系

在定制的PCB板中，如果Cevkit未知，可以使用頻譜分析儀監(jiān)測(cè)中頻(在信號(hào)進(jìn)入頻譜分析儀之前確保使用隔直電容)，然后使用串聯(lián)和并聯(lián)電容調(diào)諧中頻頻率至10.7MHz。

串聯(lián)電阻

普通晶體的典型串聯(lián)電阻為25Ω至100Ω。晶體制造商通常給出該電阻的特性并指定了其最大值。在MAX1470振蕩電路中該電阻不要超過(guò)100Ω。

管殼或者并聯(lián)電容

這個(gè)便是晶體電極、管殼和引腳的電容。典型值范圍為2pF至7pF。

驅(qū)動(dòng)電平

必須限制晶體的功耗，在過(guò)分機(jī)械振動(dòng)的條件下石英晶體會(huì)停振。由于非線性，晶體特性也會(huì)隨驅(qū)動(dòng)電平變化。晶體制造商會(huì)根據(jù)特殊生產(chǎn)線指定最大的驅(qū)動(dòng)電平。使用驅(qū)動(dòng)電平在1μW范圍內(nèi)的晶體。

以上這些性能指標(biāo)可指導(dǎo)用戶選擇合適的晶體以滿足MAX1470振蕩電路的需要，能夠改善接收機(jī)的整體性能。