名師推薦石英晶體振蕩器與外圍電路關(guān)系

1、石英晶體振蕩器與外圍電路關(guān)系一、三端式LC振蕩器三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾 MHz到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些，約為10-10F量級(jí)，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點(diǎn)。三端式LC振蕩電路以分為電感三端式和電容三端式電容三端式又分為串聯(lián)型電容三端式 和并聯(lián)型電容三端式（也有叫三點(diǎn) 式）。并聯(lián)型電容三端式：電容反饋式振蕩電路，如圖1a。振蕩頻率12 . LC12二丄（咒:）（公式1）反饋系數(shù)集電極等效負(fù)載:UfRl = Rc/a（公式2）（公式3）b在這個(gè)電路中若要提高電容反饋式振蕩電路的振蕩頻率，勢(shì)必要減小C1和C2的 電容量和L的電感量

2、。實(shí)際上不 C1和C2的電容量減小到一定程度時(shí)，晶體管的極 間電容和電路中的雜散電容將納入 C1和C2中，從而影響振蕩頻率。這些電容等效 為放大電路的輸入電容Ci和輸出電容C。，如圖1b中所標(biāo)注。電路的優(yōu)點(diǎn)：1. 電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。2. 電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響。3. 電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振 蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十MHz,采用共基放大電路可做到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。電路的缺點(diǎn)：調(diào)C1或C2來(lái)改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。改進(jìn)型電容反饋式振蕩電路，

3、如圖2：圖2在電感支路串聯(lián)一個(gè)小容量電容C，而且Cvv C1，Cvv C2,這樣總電容約為C,因面電路的振蕩頻率為:&2 二 LC（公式4）二、石英晶體振蕩器1 、石英晶體的壓電特性石英晶體所以能成為電諧振器，是利用了它所特有的正、反兩種壓電效應(yīng)。所謂正 壓電效應(yīng)，就是當(dāng)沿晶體的電軸或機(jī)械軸施以張力或壓力時(shí)，就在垂直于電軸的兩 面上產(chǎn)生正、負(fù)電 荷，呈現(xiàn)出電壓。負(fù)壓電效應(yīng)是指當(dāng)在垂直于電軸的兩面上加以 交變電壓時(shí)，晶體將會(huì)沿電軸或機(jī)械軸產(chǎn)生彈性變形（伸張或壓縮），稱為機(jī)械振 動(dòng)。2、石英晶體的諧振特性:因?yàn)槭⒕w和其它彈性體一樣，具有彈性和慣性，因而存在著固有振動(dòng)頻率。 當(dāng)外加電信號(hào)頻率在此

4、自然頻率附近時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機(jī) 械共振，又在電路上表現(xiàn)出電諧振。3、石英晶體的阻抗頻率特性并聯(lián)型石英晶體振蕩電路：石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路 或一個(gè)并聯(lián)諧振回路石英晶體的等效電路如下虛線部份:cJ串聯(lián)諧振頻率fs11并聯(lián)諧振頻率：fpZLq C0Cq；qCoCqfs;*1器。11 Cq2 - LCq，Co由于CqCo所以fpfs , fs越接近fp石英晶體呈感性的頻帶愈狹窄4、其它特性：由于晶振的Q值和特性阻抗R都很高，所以晶振的諧振電阻也很高，一 般可達(dá)1010以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體 管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足

5、振幅起振條件的要求。5、反饋系數(shù)反饋系數(shù)片=二 電,若增大C1/C2,則一方面反饋系數(shù)數(shù)值隨之增大，U2環(huán)路增益大，有利于電路起振；但是其值過(guò)大時(shí)，它又使 Rl減小，從而造成 電壓放大倍數(shù)數(shù)值減小，振蕩穩(wěn)定性會(huì)變差，不利于電路起振。因此， C1/C2 既不能太大，又不能太小，具體數(shù)值應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。所以各個(gè)廠家在賣 石英晶體時(shí)會(huì)給出一個(gè)匹配值。 比值通常取1.22.4。標(biāo)頻f越高,比值趨近 2.4;標(biāo)頻率f越低，比值趨近1.2A178諧振器測(cè)試記錄次序晶振（M）C1 (C36 in A178 ) (pF)Rext (R22) (K)C2(C37)(pF)起振效果1668空沒(méi)接（空）:稍好26

6、6810空較好36681010較好46681033較好56681047較好66681068較好76331047(5:5)失敗86471047(5:5)失敗964710空較好106331047(5:5)失敗116331068較好126331033(10:10)失敗136331022(10:10)失敗1463310空(10:10)失敗1564710空較好1664710100較好16610010100較好18610010空較好196100空空較好206空1033(5:5)失敗216空1068(10:10)失敗22668空68不穩(wěn)定23668空10(5:5)失敗注：稍好：指在10次測(cè)試中，超過(guò)5次能正

7、常振蕩；較好：測(cè)試中，每次都能正常振蕩，試驗(yàn)次數(shù)不等（3- 10次），包括冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。不穩(wěn)定：失敗次多次數(shù)多，且要較長(zhǎng)時(shí)間等待。三、補(bǔ)充資料1、晶振：即所謂石英晶體諧振器 和石英晶體時(shí)鐘振蕩器 的統(tǒng)稱。不過(guò)由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指 時(shí)鐘振蕩器（振蕩器）。2、分類。首先說(shuō)一下諧振器。諧振器一般分為插件（Dip ）和貼片（SMD ）。插件中又分為1）HC-49U2）HC-49U/S3）音叉型（圓柱）HC-49U 一般稱49U，有些采購(gòu)俗稱“高型”，而HC-49U/S 般稱49S，俗稱“矮型”。音叉型按 照體積分可分為

8、3*8 , 2*6 , 1*5 , 1*4等等。貼片型是按大小和腳位來(lái)分類。例如7*5 （ 0705）、6*3.5（0603）, 5*3.2 （5032）等等。腳位有 4pin 和 2pin 之分。振蕩器：它需要外接電源才能正常工作?？梢苑譃椴寮唾N片。插件的可以按大小和腳位來(lái)分。例如所謂全尺寸的，又稱長(zhǎng)方形或者14pin，半尺寸的又稱為正方形或者8pin。不過(guò)要注意的是，這里的14pin和8pin都是指振蕩器內(nèi)部核心 IC的腳位數(shù)，振蕩器本身是 4pin。而從不同的應(yīng)用層面來(lái)分， 又可分為SPXO （或OSC,普通鐘振），TCXO （溫度補(bǔ)償），VCXO （壓控），OCXO （恒溫）等等。1

9、）普通晶體振蕩器（SPXO）。這是一種簡(jiǎn)單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補(bǔ)償”和“ AGC ”部分，完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合。2）恒溫晶體振蕩器（以下簡(jiǎn)稱OCXO）這類型晶振對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術(shù)，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過(guò)設(shè)置恒 溫工作點(diǎn)，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設(shè)備，包括交換機(jī)、SDH傳輸設(shè)備、移動(dòng)通信直放機(jī)、 GPS接收機(jī)、電臺(tái)、數(shù)字電視及軍工設(shè)備等領(lǐng)域。 根據(jù)用戶需要，該類型晶振可以帶壓控引腳。 OCXO 的工作原理

10、如下圖 3所示：圖3恒溫晶體振蕩器原理框圖OCXO的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于采用了恒溫槽技術(shù)，頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的， 由于電路設(shè)計(jì)精密，其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時(shí)間才能正常工作等。3）補(bǔ)償晶體振蕩器（以下簡(jiǎn)稱TCXO）。其對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補(bǔ)償手段，主要原理是通過(guò)感應(yīng)環(huán)境溫度，將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。 傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償，隨著補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，很多數(shù)字化補(bǔ)償大TCXO開(kāi)始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補(bǔ)償?shù)腡CXO又叫DTCXO，用單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)我們稱之為MCXO，由于采用了數(shù)

11、字化技術(shù)，這一類型的晶振再溫度特性上達(dá)到了很高的精度，并且能夠適應(yīng)更寬的工作溫度范圍，主要應(yīng)用于軍工 領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。其設(shè)計(jì)原理如圖4。圖4 MCXO數(shù)字溫補(bǔ)晶振原理框圖4）壓控晶體振蕩器（VCXO）這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來(lái)分類， 帶壓控輸入引腳的一類晶振叫 VCXO,以上 三種類型的晶振都可以帶壓控端口。四、基本術(shù)語(yǔ)。一些常用的諧振器術(shù)語(yǔ)：Frequency Toleranee（調(diào)整頻差）：在規(guī)定條件下，在基準(zhǔn)溫度（25土 2C）與標(biāo)稱頻 率允許的偏差。一般用PPm （百萬(wàn)分之）表示。Frequency Stability（溫度頻差）:指在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，與標(biāo)稱頻率允許的偏差。 用PPm表示。Aging （年老化率）：在規(guī)定條件下，晶體工作頻率隨時(shí)間而允許的相對(duì)變化。以年 為時(shí)間單位衡量時(shí)稱為年老化率。Shu nt Cap acita nee （靜電容）：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容，也叫并電容，通常 用CO表示。Load Capa