晶體振蕩器如何讓數字電子裝置同步化
發布時間:2021-05-08 責任編輯:lina
【導讀】大多數您所設計或使用的電子係統,都具有一或多個振蕩器來提供頻率以進行同步運作,作為頻率參考或實現準確的定時。本文將討論石英晶體振蕩器的優點,以及一些可用的選擇。
大da多duo數shu您nin所suo設she計ji或huo使shi用yong的de電dian子zi係xi統tong,都dou具ju有you一yi或huo多duo個ge振zhen蕩dang器qi來lai提ti供gong頻pin率lv以yi進jin行xing同tong步bu運yun作zuo,作zuo為wei頻pin率lv參can考kao或huo實shi現xian準zhun確que的de定ding時shi。本ben文wen將jiang討tao論lun石shi英ying晶jing體ti振zhen蕩dang器qi的de優you點dian,以yi及ji一yi些xie可ke用yong的de選xuan擇ze。
在以微處理器為基礎的係統中,存在著數種不同的頻率訊號,用於執行指令、將數據移入和移出內存,以及外部通訊接口。
一個簡單的嵌入式控製器可能擁有幾 MHz 的時鍾頻率,而個人計算機中的微處理器通常預期會有 15 MHz 的輸入頻率。這將在內部倍數增加,以提供 CPU 和其他子係統的頻率。係統中的其他組件可能都各有自己的頻率要求。例如,以太網絡控製器需要 25 MHz 的頻率,或實時頻率 (RTC) 需要 32.768 kHz。
射頻 (RF) 係統需要準確的頻率參考,以實現端對端通訊並可過濾不需要的訊號和噪聲。
關鍵振蕩器特性
除了提供指定頻率的基本需求外,依據您的產品應用,振蕩器可能還必須滿足其他需求。
例(li)如(ru),許(xu)多(duo)產(chan)品(pin)應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)極(ji)為(wei)精(jing)確(que)定(ding)義(yi)的(de)頻(pin)率(lv)。對(dui)於(yu)需(xu)要(yao)透(tou)過(guo)序(xu)列(lie)或(huo)無(wu)線(xian)接(jie)口(kou)與(yu)其(qi)他(ta)裝(zhuang)置(zhi)進(jin)行(xing)通(tong)訊(xun)的(de)係(xi)統(tong)而(er)言(yan),這(zhe)尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)。準(zhun)確(que)度(du)通(tong)常(chang)以(yi)百(bai)萬(wan)分(fen)之(zhi)一(yi) (ppm) 為單位進行測量。
針對手持或電池供電的設備而言,擁有低功耗是十分重要的。對 RTC 來說尤其如此,因為即使在低功耗或待機模式下,電路的此一部分也將始終處於有效狀態。
最後,您可能需要考慮例如操作環境、成本和外形尺寸等各種因素。
完美諧振
任何振蕩器都使用某種諧振或微調電路,搭配放大和回饋來產生特定頻率輸出。
微調電路可以電阻電容 (RC) 或電感電容 (LC) 網絡為基礎。這些裝置較為簡單,且能在寬廣的範圍內變更頻率。不過,設計一個準確的 RC 或 LC 振蕩器,需要使用昂貴的精確組件。即便如此,它們也無法滿足許多產品應用所要求的最高準確度和穩定性。
晶體 (通常為石英) 也(ye)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)諧(xie)振(zhen)組(zu)件(jian)。將(jiang)晶(jing)體(ti)切(qie)割(ge)為(wei)兩(liang)個(ge)平(ping)行(xing)的(de)晶(jing)麵(mian),並(bing)在(zai)其(qi)上(shang)沉(chen)積(ji)金(jin)屬(shu)接(jie)點(dian)。石(shi)英(ying)具(ju)有(you)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying),代(dai)表(biao)將(jiang)該(gai)晶(jing)體(ti)置(zhi)於(yu)壓(ya)力(li)下(xia)時(shi),其(qi)晶(jing)麵(mian)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)壓(ya)。相(xiang)反(fan)地(di),在(zai)晶(jing)體(ti)上(shang)施(shi)加(jia)電(dian)壓(ya)時(shi),晶(jing)體(ti)亦(yi)會(hui)改(gai)變(bian)形(xing)狀(zhuang)。
這種回饋會使晶體以其自然諧振頻率進行振蕩。這將由晶體的尺寸及其切割方式決定。最常見的裁切方式稱為 AT。這可以用於很廣泛的頻率範圍,並具有良好的熱穩定性。
晶體諧振器具備很高的質量 (Q) 因子,這代表頻率是精確定義且非常穩定,因此晶體可用作低成本、高準確度振蕩器的基礎。

圖1 晶體結構及等效電路
晶體諧振器結構和等效電路如圖 1 所示。值 Cp 代表兩個平行電極的電容。組件 Ls、Rs 和 Cs 代表晶體的機械屬性 (質量、內摩擦和彈性)。
等效電路表示存在兩種可能的諧振頻率:一種是由於 Ls 和 Cs 串聯所引起,另一種則是由於 Cp 與電感並聯所引起。
串聯諧振定義算式:

並聯諧振頻率算式:

這兩個頻率之間的距離通常小於 1%,且振蕩器電路
定義使用哪種諧振模式。大多數振蕩器使用並聯模式。
對於約 75 MHz 以上的高頻率而言,晶體可以基礎頻率或泛音的倍數進行振蕩。
振蕩器電路
zhendangqidianlutongchanghuizhenghedaoxuyaopinlvxunhaodezhuangzhinei。liru,xuduoweikongzhiqiheleisizhuangzhidouyoulianggejiejiao,ninkeyizaishangmianjiandandilianjieyigejingtiheyiduitaocidianrongqilaiwanchengdianlu。

圖2 振蕩器組件和雜散電容
電路的總負載電容 (CL) 需要與晶體的指定 CL 相符。這是由陶瓷電容器加上晶體封裝、振蕩器輸入接腳和電路板線路的任何雜散電容組成。
要準確計算電路中的所有雜散電容和寄生電容並不容易,因此您可以先進行預估 (通常在 4 至 6 pF 左右),然後測量輸出頻率,以查看是否需要調整電容器的值。
如果總 CL 大於指定 CL,將會降低振蕩頻率。如果 CL 太低,則頻率將更高。
如果 CL 的高低過於懸殊,則振蕩器可能根本無法啟動。

圖3 振蕩器電路
您也可以使用晶體管或反向邏輯閘極作為回饋放大器,以建構外部振蕩器電路,如圖 3 所示。但是,即使大多數晶體廠商都會提供設計指南,但設計高質量振蕩器仍具有挑戰性;因yin此ci,購gou買mai現xian成cheng的de振zhen蕩dang器qi模mo塊kuai可ke能neng更geng為wei簡jian單dan。振zhen蕩dang器qi模mo塊kuai含han一yi個ge晶jing體ti,以yi及ji包bao括kuo負fu載zai電dian容rong器qi等deng所suo有you需xu要yao的de組zu件jian。這zhe可ke以yi保bao證zheng您nin以yi合he理li的de價jia格ge獲huo得de高gao效xiao能neng振zhen蕩dang器qi。您nin隻zhi需xu提ti供gong適shi合he的de電dian源yuan供gong應ying器qi即ji可ke。


圖4 晶體振蕩器模塊
對於以太網絡接口或無線通信係統等要求準確和穩定頻率的產品應用,晶體振蕩器模塊是不錯的選擇。
主題的變化
由於頻率會隨外部 CL 變化,使得建構能在很小範圍內調節輸出的晶體振蕩器成為可能。例如,這在接收器需要調整自己的頻率以符合接收訊號的 RF 應用中非常實用。
電壓控製晶體振蕩器 (VCXO) 使用稱為變容器 (或變容二極管) 的裝置作為負載電容器。變容器的電容會隨施加的控製電壓而變化,進而改變振蕩頻率。
VCXO 的關鍵參數為「牽引率」,控製電壓範圍和頻率抖動。
• 牽qian引yin率lv定ding義yi給gei定ding控kong製zhi電dian壓ya變bian化hua時shi的de頻pin率lv變bian化hua。較jiao大da的de值zhi表biao示shi振zhen蕩dang器qi可ke以yi在zai較jiao大da的de範fan圍wei內nei運yun作zuo,但dan是shi較jiao小xiao的de值zhi表biao示shi較jiao佳jia的de穩wen定ding性xing和he較jiao低di的de相xiang位wei噪zao聲sheng。最zui大da調tiao整zheng範fan圍wei通tong常chang約yue為wei +/-200 ppm。
• 控製電壓通常為 0 V 至 2 或 3V。
• 頻率抖動會高於固定頻率振蕩器,尤其是在限製狀態運作時調整範圍的極端情況下。
如果您在操作溫度範圍內要求的穩定性,比普通晶體振蕩器所能提供的更大,則可能需要使用溫度補償晶體振蕩器 (TCXO)。這些也可以作為具有廣泛參數的現成模塊來提供。
TCXO 包含一個測量環境溫度,然後產生控製電壓以調整 VCXO 頻率的電路,以補償溫度變化所產生的影響。TCXO 會根據晶體的溫度頻率響應曲線計算所需的控製電壓。
TCXO 模塊通常也包括自己的穩壓器,因此振蕩器不會受外部供應電壓變化的影響。
結論
石英晶體提供高度準確、穩定且低成本的頻率參考。
晶體和晶體振蕩器具有廣泛的參數和實作方式,以滿足您的產品應用需求。
許多裝置都整合振蕩器電路,使設計過程變得非常簡單。
作(zuo)為(wei)替(ti)代(dai)方(fang)案(an),特(te)別(bie)是(shi)如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)頻(pin)率(lv)時(shi),便(bian)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)晶(jing)體(ti)振(zhen)蕩(dang)器(qi)模(mo)塊(kuai)。與(yu)整(zheng)合(he)式(shi)振(zhen)蕩(dang)器(qi)相(xiang)比(bi),它(ta)們(men)通(tong)常(chang)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)準(zhun)確(que)度(du)和(he)穩(wen)定(ding)性(xing)。模(mo)塊(kuai)也(ye)可(ke)提(ti)供(gong)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)頻(pin)率(lv)或(huo)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)。
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