決定晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)成敗的7個(gè)關(guān)鍵因素

作者： 揚(yáng)興晶振 日期：2021-09-27 瀏覽量：

  一、什么是晶體振蕩器電路?

  晶體振蕩器電路由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。反饋網(wǎng)絡(luò)從放大器獲取特定輸出，然后將其發(fā)送回放大器輸入。繪制出來時(shí)看起來很簡單。

  但是越深入，復(fù)雜性就越大。緊緊抓住!為了使晶體振蕩器電路有效運(yùn)行，必須滿足兩個(gè)關(guān)鍵條件：
  (1)環(huán)路功率增益必須等于一致;
  (2)環(huán)路相移必須等于0、2Pi，4Pi等弧度。
引導(dǎo)回放大器輸入的功率必須足以提供放大器輸入，振蕩器的成品率并克服電路損耗。

  振蕩器的精確頻率由振蕩器電路內(nèi)的環(huán)路相移確定。相移的任何變化都將導(dǎo)致頻率變化。減少凈相移的最佳方法之一是在反饋環(huán)路中使用石英晶體。我們在Bliley這里制造的所有晶體都包括石英晶體(石英晶體振蕩器)。

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  當(dāng)在振蕩器的反饋環(huán)路中使用石英晶體時(shí)，振蕩器的頻率輸出實(shí)際上會(huì)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。石英晶體產(chǎn)生的電抗?jié)M足相環(huán)要求。

  足以充分理解晶體振蕩器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。讓我們繼續(xù)進(jìn)入晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)的7個(gè)主要考慮因素。

  二、晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)的7個(gè)主要注意事項(xiàng)

  1.串聯(lián)電路

  串聯(lián)電路晶體振蕩器使用設(shè)計(jì)為以其自然諧振頻率工作的晶體。對(duì)于這種類型的電路，在反饋回路中不需要電容器。串聯(lián)諧振振蕩器電路是相當(dāng)基本的，并且由于其元件數(shù)量少而通常被使用。

  串聯(lián)電路可以提供除通過晶體以外的反饋路徑。這意味著即使在晶體故障期間，電路也可能繼續(xù)以主觀頻率振蕩。

  串聯(lián)電路的一個(gè)重大缺陷是，如果系統(tǒng)需要修改，則無法調(diào)整輸出頻率。串聯(lián)諧振晶體的設(shè)計(jì)具有最佳的頻率，容差和穩(wěn)定性，并且無需調(diào)整即可固定。

  2.負(fù)載電容

  負(fù)載電容可以在振蕩器電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在下一個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)中，您將看到一個(gè)負(fù)載電容重要性的示例，但現(xiàn)在，讓我們仔細(xì)研究一下負(fù)載電容本身。

  負(fù)載電容被描述為 在電路中晶體端子兩端測量或計(jì)算的 電容量。

  對(duì)于串聯(lián)電路，晶振電路的連接點(diǎn)之間沒有電容。因此，電路中沒有負(fù)載電容。并聯(lián)電路則是另一回事。

  要確定并聯(lián)電路中的負(fù)載電容(在設(shè)計(jì)考慮因素3中進(jìn)行了描述)，請使用以下便捷公式：

  在該公式中，LC1和LC2代表負(fù)載電容器。Cs是電路游蕩電容(通常在3至5 pF之間)。

  3.并聯(lián)電路

  并聯(lián)諧振振蕩器電路是用晶體設(shè)計(jì)的，該晶體可以在特定的負(fù)載電容下工作。這會(huì)導(dǎo)致晶體振蕩器以高于串聯(lián)諧振頻率但低于真正的并聯(lián)諧振頻率的頻率工作。

  為了完成這種類型的電路中的反饋環(huán)路，必須設(shè)計(jì)通過晶振的路由。如果晶體失效，電路將不再振蕩。

  那么確定振蕩器頻率的“負(fù)載電容”從何而來呢?該電路實(shí)際上使用了一個(gè)孤立的逆變器，該逆變器在反饋環(huán)路中具有兩個(gè)電容，這些電容包含了負(fù)載電容。如果負(fù)載電容改變，振蕩器產(chǎn)生的頻率也會(huì)改變。

  話雖如此，需要注意的是，如果需要調(diào)整，這種電路類型對(duì)于輕松調(diào)整頻率而言并不理想。此外，還需要精確的頻率控制和負(fù)載電容的精確規(guī)范。

  例如，如果將一個(gè)容量為20 pF的20 MHz晶體放置在評(píng)估值為30 pF的電路中，則該晶體將低于指定值。但是，如果電路的評(píng)估值僅為10 pF，則頻率將高于指定值。

  4.驅(qū)動(dòng)等級(jí)

  驅(qū)動(dòng)電平是晶體在工作時(shí)消耗的電量。功率通常以毫瓦或微瓦來描述。

  將石英晶體指定為驅(qū)動(dòng)電平的特定最大值，該最大值會(huì)影響振蕩器的頻率和工作模式。與您的晶體振蕩器供應(yīng)商合作，確定石英振蕩器可以承受的最大驅(qū)動(dòng)水平非常重要。

  那么，如果晶體振蕩器超過最大驅(qū)動(dòng)電平會(huì)怎樣?
  (1)可能導(dǎo)致振蕩器變得不穩(wěn)定
  (2)加快年齡
  (3)導(dǎo)致關(guān)鍵應(yīng)用中的通信或時(shí)間丟失。

  要計(jì)算晶體的驅(qū)動(dòng)電平，請使用以下方程式(基本上只是歐姆定律，但要考慮功率)。

  驅(qū)動(dòng)等級(jí)=(有效值2 x R)

  Irms =測得的流經(jīng)石英晶體的均方根電流

  R = 石英晶體的最大電阻

  要測量晶體振蕩器電路的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電平，可以在晶體電路中插入一個(gè)電阻。然后可以讀取電阻兩端的壓降，以計(jì)算電流和功耗。當(dāng)然，請確保在此測量之后將電阻器移除。

  5.頻率與模式

  晶體振蕩器的頻率可能受到物理尺寸的限制。有時(shí)，這可能是某些應(yīng)用程序的長度和寬度。其他時(shí)候，它可能是石英晶體本身的厚度。石英晶片越薄，頻率越高。石英晶片的厚度通常太薄，以至于無法在30 MHz左右的水平上進(jìn)行處理。

  如果需要頻率高于極限頻率的振蕩器，則可以利用“基本頻率”?；绢l率是“ 由整個(gè)物體的振動(dòng)產(chǎn)生的最低頻率，與較高頻率的諧波不同。” 如果晶體的基本頻率為10 MHz，它也可能以基本頻率的3、5、7等振蕩。因此，振蕩器可以在30 MHz，50 MHz，70 MHz等頻率下振蕩。這是頻率的泛音。

  當(dāng)需要使用泛音頻率時(shí)，晶體制造商必須將晶體設(shè)計(jì)為以所需的泛音頻率工作。切勿嘗試訂購基本模式晶體，然后在另一個(gè)所需的泛音下操作它，因?yàn)榛揪w和泛音晶體的晶體制造工藝不同。

  相關(guān)閱讀：教你5招快速選購晶體振蕩器

  6.設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

  為了使振蕩器電路達(dá)到最佳工作狀態(tài)，應(yīng)遵循一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。始終建議的一件事是在電路中避免并行走線。這樣做會(huì)減少雜散電容。所有走線應(yīng)保持盡可能短，以防止耦合。通過使用接地層使組件保持隔離也可以幫助實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

  7.負(fù)面抵抗

  必須設(shè)計(jì)振蕩器以增強(qiáng)“負(fù)電阻”以獲得最佳性能。負(fù)電阻通常也稱為“振蕩余量”。

  這是6個(gè)簡單步驟，可幫助您計(jì)算振蕩器電路中的負(fù)電阻

  (1)臨時(shí)安裝與晶體串聯(lián)的可變電阻器

  (2)將電阻設(shè)置為最低設(shè)置(接近零歐姆)

  (3)接通振蕩器電源并監(jiān)控示波器的輸出

  (4)隨著您不斷監(jiān)視示波器信號(hào)，開始使用可變電阻器增加電路中的電阻

  (5)一旦振蕩停止，請記下可變電阻以確定歐姆值

  (6)將晶體的最大電阻值(由供應(yīng)商指定)與步驟5中測得的歐姆值相加

  計(jì)算出的總值為“負(fù)電阻”或“振蕩余量”。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，為了可靠，負(fù)電阻應(yīng)至少為晶體規(guī)定最大電阻值的5倍。

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