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更多>>石英晶體振蕩器操作理論
來源：http://www.diginow.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定度高的振蕩器,被廣泛應用于彩電,計算機,遙控器等各類振蕩電路中,以及通信系統中用于頻率發生器,為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號,目前晶體控制振蕩器可以被認為包括放大器和反饋網絡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)環路功率增益必須等于1.
(二)環路相移必須等于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路相位角偏移.相位角的任何凈變化都會導致輸出頻率的變化.由于有源晶振振蕩器的通常目標是提供基本上獨立于變量的頻率,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,當然也是最常見的方法是在反饋環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生巨大變化,以至于所有其他電路元件都可以被認為具有基本恒定的電抗.因此,當晶體單元用在振蕩器的反饋環路中時,晶體單元的頻率將自我調節,使得晶體單元呈現滿足環路相位要求的電抗.石英晶體單元的電抗與頻率的關系如下所示.
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或反諧振頻率,通常縮寫為Fa.串聯和并聯諧振頻率在振蕩器電路中都表現出電阻性.在串聯諧振點,電阻最小,電流最大.
在平行點,電阻最大,電流最小.因此,并聯諧振頻率Fa不應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和并聯諧振點之間的線上的任何點振蕩.在這種情況下,振蕩頻率將高于串聯諧振頻率,但低于并聯諧振頻率.由于電容增加導致的頻率高于串聯諧振頻率,所以通常稱為并聯頻率,盡管它低于真正的并聯頻率.
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"或"并聯"
串聯電路:
串聯諧振振蕩器電路使用晶體,該晶體被設計成在其自然串聯諧振頻率下工作.在這種電路中,反饋回路中沒有電容.使用串聯諧振振蕩器電路主要是因為它們的元件數量很少.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,這種電路可能繼續以任意頻率振蕩.基本串聯諧振振蕩器電路的描述如下.
從圖3.0中可以明顯看出,如果需要調整,串聯諧振振蕩器電路無法調整輸出頻率.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域內工作.該電阻還向逆變器提供負反饋.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.該電阻強烈影響晶體單元的驅動電流,因此必須注意不要選擇太小的值.晶體單元Y1是串聯諧振晶體單元,指定以期望的頻率和期望的頻率容差和穩定性工作.
并聯電路:
并聯諧振振蕩器電路使用晶體單元,該貼片晶振單元被設計成在負載電容的特定值下工作.這將導致晶體頻率高于串聯諧振頻率但低于真正的并聯諧振頻率.這些電路除了通過晶體單元外,不提供路徑來完成反饋環路.如果晶體單元出現故障,電路將不會繼續振蕩.并聯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"負載電容",并與晶體單元一起確定振蕩器的工作頻率.隨著負載電容值的變化,振蕩器的輸出頻率也隨之變化.因此,如果需要調整,該電路確實提供了調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所示串聯諧振電路相同的功能.兩個負載電容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是并聯諧振晶體單元,被指定以負載電容的指定值,期望的頻率以及期望的頻率容限和穩定性工作.
負載電容:
參考了"負載電容的指定值".負載電容可以定義為"晶體連接點上振蕩器電路中存在的電容值,無論是測量的還是計算的"在串聯諧振電路的情況下,晶體單元的連接點之間不存在電容,因此,不需要為串聯諧振壓電石英晶體單元指定負載電容.在并聯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際的,通常需要計算該值.負載電容值的計算通過以下等式完成:
其中CL1和CL2為負載電容,CS為電路雜散電容,通常為3.0至5.0pF.
必須注意,負載電容值的變化將導致振蕩器輸出頻率的變化.因此,如果需要精確的頻率控制,則需要負載電容的精確規格.為了說明,假設晶體單元被指定在20.000MHz的頻率下工作,負載電容為20.0pF.假設晶體單元然后被放置在呈現30.0pF值的電路中.晶體單元的頻率將低于規定值.相反,如果有問題的電路出現10.0pF的值,頻率將高于規定值.頻率和負載電容之間的關系如下所示.
驅動水平:
"驅動電平"是晶體單元在工作時消耗的功率.功率是外加電流的函數,通常用毫瓦或微瓦表示.晶體單元被指定為具有一定的驅動電平最大值,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商,了解特定晶體單元允許的最大驅動電平值.超過給定晶體單元的最大驅動水平可能會導致運行不穩定,老化率增加,并且在某些情況下會導致災難性損壞.驅動水平可以通過以下等式計算:
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際驅動電平的測量可以通過暫時插入與晶體單元串聯的電阻來完成.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,并計算電流和功耗.然后必須移除電阻器.作為測量驅動電平的替代方法,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.如果希望開發一個頻率的振蕩器高于極限頻率時,必須利用優勢石英晶體單元將以奇數振蕩的事實他們"基本"頻率的倍數.我們可以定義"基本"頻率是指在給定的一組機械尺寸下自然發生."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.基頻的倍數被稱為"泛音",由乘法,如"第三泛音","第五泛音",等等.當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行,并且期望的泛音.一個人不應該試圖訂購一個基模有源晶振單元,然后在泛音頻率.這是因為水晶制造過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計中,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描述了串聯諧振電路的修改雖然圖7.0描述了并聯諧振的修改電路.
在這兩種情況下,振蕩電路都被調諧到基頻和所需頻率之間的某個頻率上諧振.這導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.
設計考慮:
為了振蕩器電路的良好運行,應遵循某些設計考慮.在所有情況下,建議避免平行走線,以降低電路雜散電容.所有走線應盡可能短,部件應隔離,以防止耦合.接地層應該用來隔離信號.
負電阻:
為了獲得最佳性能,石英晶體振蕩器振蕩器電路的設計必須能夠提高"負電阻",這種電阻有時被稱為"振蕩容限"給定電路中負電阻值的評估是通過臨時安裝一個與晶體單元串聯的可變電阻來完成的.電阻最初應設置在其最低設置,最好接近零歐姆.振蕩器隨后啟動,輸出在示波器上監控.然后調節可變電阻,以便在連續監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.必須將供應商規定的石英晶體單元的最大電阻加到該值上.總歐姆電阻被認為是"負電阻"或"振蕩容限"為了電路工作良好,可靠,建議負電阻至少為的規定最大電阻值的五倍
水晶單元.
負電阻值超過晶體單元最大電阻的五倍更好.由于負電阻在高溫下會降低,建議在最高溫度下進行測試操作范圍的.
這種電路的概括描述如下所示.
必須滿足:
(一)環路功率增益必須等于1.
(二)環路相移必須等于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路相位角偏移.相位角的任何凈變化都會導致輸出頻率的變化.由于有源晶振振蕩器的通常目標是提供基本上獨立于變量的頻率,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,當然也是最常見的方法是在反饋環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生巨大變化,以至于所有其他電路元件都可以被認為具有基本恒定的電抗.因此,當晶體單元用在振蕩器的反饋環路中時,晶體單元的頻率將自我調節,使得晶體單元呈現滿足環路相位要求的電抗.石英晶體單元的電抗與頻率的關系如下所示.
在平行點,電阻最大,電流最小.因此,并聯諧振頻率Fa不應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和并聯諧振點之間的線上的任何點振蕩.在這種情況下,振蕩頻率將高于串聯諧振頻率,但低于并聯諧振頻率.由于電容增加導致的頻率高于串聯諧振頻率,所以通常稱為并聯頻率,盡管它低于真正的并聯頻率.
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"或"并聯"
串聯電路:
串聯諧振振蕩器電路使用晶體,該晶體被設計成在其自然串聯諧振頻率下工作.在這種電路中,反饋回路中沒有電容.使用串聯諧振振蕩器電路主要是因為它們的元件數量很少.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,這種電路可能繼續以任意頻率振蕩.基本串聯諧振振蕩器電路的描述如下.
并聯電路:
并聯諧振振蕩器電路使用晶體單元,該貼片晶振單元被設計成在負載電容的特定值下工作.這將導致晶體頻率高于串聯諧振頻率但低于真正的并聯諧振頻率.這些電路除了通過晶體單元外,不提供路徑來完成反饋環路.如果晶體單元出現故障,電路將不會繼續振蕩.并聯諧振電路的基本描述如下
電阻器R1和R2具有與圖3.0所示串聯諧振電路相同的功能.兩個負載電容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是并聯諧振晶體單元,被指定以負載電容的指定值,期望的頻率以及期望的頻率容限和穩定性工作.
負載電容:
參考了"負載電容的指定值".負載電容可以定義為"晶體連接點上振蕩器電路中存在的電容值,無論是測量的還是計算的"在串聯諧振電路的情況下,晶體單元的連接點之間不存在電容,因此,不需要為串聯諧振壓電石英晶體單元指定負載電容.在并聯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際的,通常需要計算該值.負載電容值的計算通過以下等式完成:
必須注意,負載電容值的變化將導致振蕩器輸出頻率的變化.因此,如果需要精確的頻率控制,則需要負載電容的精確規格.為了說明,假設晶體單元被指定在20.000MHz的頻率下工作,負載電容為20.0pF.假設晶體單元然后被放置在呈現30.0pF值的電路中.晶體單元的頻率將低于規定值.相反,如果有問題的電路出現10.0pF的值,頻率將高于規定值.頻率和負載電容之間的關系如下所示.
"驅動電平"是晶體單元在工作時消耗的功率.功率是外加電流的函數,通常用毫瓦或微瓦表示.晶體單元被指定為具有一定的驅動電平最大值,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商,了解特定晶體單元允許的最大驅動電平值.超過給定晶體單元的最大驅動水平可能會導致運行不穩定,老化率增加,并且在某些情況下會導致災難性損壞.驅動水平可以通過以下等式計算:
工作振蕩器電路中實際驅動電平的測量可以通過暫時插入與晶體單元串聯的電阻來完成.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,并計算電流和功耗.然后必須移除電阻器.作為測量驅動電平的替代方法,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.如果希望開發一個頻率的振蕩器高于極限頻率時,必須利用優勢石英晶體單元將以奇數振蕩的事實他們"基本"頻率的倍數.我們可以定義"基本"頻率是指在給定的一組機械尺寸下自然發生."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.基頻的倍數被稱為"泛音",由乘法,如"第三泛音","第五泛音",等等.當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行,并且期望的泛音.一個人不應該試圖訂購一個基模有源晶振單元,然后在泛音頻率.這是因為水晶制造過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計中,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,振蕩電路都被調諧到基頻和所需頻率之間的某個頻率上諧振.這導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.
設計考慮:
為了振蕩器電路的良好運行,應遵循某些設計考慮.在所有情況下,建議避免平行走線,以降低電路雜散電容.所有走線應盡可能短,部件應隔離,以防止耦合.接地層應該用來隔離信號.
負電阻:
為了獲得最佳性能,石英晶體振蕩器振蕩器電路的設計必須能夠提高"負電阻",這種電阻有時被稱為"振蕩容限"給定電路中負電阻值的評估是通過臨時安裝一個與晶體單元串聯的可變電阻來完成的.電阻最初應設置在其最低設置,最好接近零歐姆.振蕩器隨后啟動,輸出在示波器上監控.然后調節可變電阻,以便在連續監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.必須將供應商規定的石英晶體單元的最大電阻加到該值上.總歐姆電阻被認為是"負電阻"或"振蕩容限"為了電路工作良好,可靠,建議負電阻至少為的規定最大電阻值的五倍
水晶單元.
負電阻值超過晶體單元最大電阻的五倍更好.由于負電阻在高溫下會降低,建議在最高溫度下進行測試操作范圍的.
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此文關鍵字： 石英晶振電抗石英晶體振蕩器并聯頻率
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