晶体振荡器的特性及应用电路

在家中或工作中遇到的大多数电子系统都将包含至少一个振荡器，该振荡器用作提供准确定时、同步操作或用作频率参考的时钟。在这里，我们将了解使用石英晶体振荡器的许多好处并讨论可用的选择。

在基于微处理器的系统中有许多不同的时钟信号，用于执行指令、提供外部通信接口以及将数据移入和移出存储器。

虽然直接嵌入式控制器的时钟频率可能在几兆赫兹左右，但 PC 的时钟频率通常预计具有 15MHz 的时钟输入，然后将其乘以为 CPU 和其他子系统提供时钟。系统中的其他组件很可能有自己的时钟要求，例如以太网控制器的 25MHz 时钟或实时时钟 （RTC） 所需的 32.768kHz。

此外，精确的频率参考是射频 （RF） 系统的先决条件，以促进端到端通信并确保滤除不受欢迎的噪声和信号。

主要振荡器特性

除了提供指定频率外，振荡器可能还必须满足更多需求，具体取决于应用的性质。例如，一些应用需要精确定义的频率，这对于需要通过无线或串行接口与其他设备进行通信的系统来说尤其重要。像这样的精度通常以百万分之几 （ppm） 来衡量。

低功耗在电池供电或手持设备中至关重要，尤其适用于 RTC，它始终处于活动状态，即使在待机和低功耗模式下也是如此。

最后，需要确定成本、外形尺寸和操作环境等因素。

完美的音调

每个振荡器都采用一种谐振或调谐电路，以及放大和反馈，以产生特定频率的输出。

可以在电感-电容 （LC） 或电阻-电容 （RC） 网络上创建调谐电路，这两种网络都是简单的组件，可以在很宽的范围内改变频率。然而，创建精确的 LC 或 RC 振荡器需要使用昂贵的精密元件；即便如此，它们也并不总能满足大多数应用所需的最高精度和稳定性。

晶体谐振器由石英制成，其极高的物理稳定性使其成为谐振元件的首选。它被切割成两个平行的面，上面有金属触点。石英显示出压电效应，这意味着当置于压力下时，会在表面上产生电压。同样，施加的电压会导致晶体在剪切运动中改变形状。

此外，反馈使晶体以其自然谐振频率振荡，这取决于晶体的尺寸和切割方式。最常见的切割形式称为 AT，可以在很宽的频率范围内部署，并表现出良好的热稳定性。

凭借非常高的品质 （Q） 因子，晶体谐振器表现出高度准确和极其稳定的频率，这意味着它们可以用作非常精确、低成本振荡器的基础产品。

晶体结构及对应电路

晶体谐振器及其对应电路的结构如图 1 所示，其中 Cp 值表示两个平行电极的电容。分量 Rs、Ls 和 Cs 代表晶体的内摩擦、质量和弹性等力学性能。

相应的电路表明存在两种可能的谐振频率：一种是由于 Ls 和 Cs 的串联，另一种是 Cp 与电感并联。该串联谐振定义为：

串联共振公式

并联谐振频率表示为：

并联谐振频率公式

这两个频率通常相差不到 1%，由振荡器电路定义要采用哪一种谐振模式。在这种情况下，大多数振荡器使用并行模式。

对于高于 75MHz 标记的更高频率，晶体能够以基频或泛音的倍数振荡。

振荡器电路

振荡器电路通常包含在需要参考时钟信号的设备中。例如，许多微控制器和类似的应用程序包含两个引脚，您可以直接将晶体产品连接到这些引脚，以及一对陶瓷电容器以完成振荡电路。

振荡器元件和杂散电容

电路的总负载电容 （CL） 必须满足晶振的规定 CL。这包括陶瓷电容器以及源自晶体封装、振荡器输入引脚和电路板走线的任何杂散电容。

由于准确计算电路内的杂散和寄生电容组合非常棘手，因此请尝试从估计值（通常约为 4 到 6pF）开始，然后测量输出频率以确定电容器的值是否需要调整。

但是，如果总 CL 大于指定的 CL，则振荡频率会降低。同样，CL 太低的地方，频率会更高；如果 CL 在任一方向上太远，则振荡器可能根本不会启动。

图 3. 振荡器电路

上图显示了使用晶体管或反相逻辑门作为反馈放大器构建的外部振荡器电路。由于设计高质量的振荡器是一项艰巨的挑战，即使大多数晶体零售商都提供设计指南，购买现成的振荡器模块可能更容易。此类振荡器模块包含晶体和所需的所有组件，包括负载电容器，可确保您获得具有成本效益的高性能振荡器。所有这一切都取决于您提供适当的电源。

对于需要精确和可靠频率的应用，如无线通信系统或以太网接口，晶体振荡器模块是一个不错的选择。Diodes Inc. 生产各种尺寸和 ppm 精度的晶体振荡器产品，以适应不同的应用。

主题变奏曲

外部 CL 频率波动的事实开启了构建晶体振荡器的可能性，该晶体振荡器的输出可以在小范围内进行调整。这在 RF 应用中证明是很方便的，在这些应用中，接收器必须微调自己的频率以对应接收到的信号。

压控晶体振荡器 （VCXO） 采用称为变容二极管（或变容二极管）的器件作为负载电容器。变容二极管的电容随着施加的控制电压而改变，这随后改变了振荡频率。

VCXO 的主要限制是“可拉性”、时钟抖动和控制电压范围：

“牵引性”概述了控制电压的任何给定变化的频率变化；较大的值表明振荡器可以在较大的范围内工作，但较小的值会导致更好的稳定性并降低相位噪声。最大调谐范围通常在 +/-200ppm 左右。

时钟抖动发生在高于固定频率振荡器的情况下，尤其是在其工作在其极限的调谐范围的外部极端。

控制电压通常为 0V 至 2 或 3V。

当您需要比普通晶体振荡器在工作温度范围内更高的稳定性（例如小于 10ppm）时，您需要选择温度补偿晶体振荡器 （TCXO）。与前面提到的标准振荡器模块一样，这些模块也可作为现成的模块提供，并带有广泛的参数。

TCXO 包含一个电路，该电路能够测量环境温度，然后生成控制电压来修改 VCXO 的频率，以抵消温度变化的影响。TCXO 根据晶体的温度-频率响应曲线计算所需的控制电压。

此外，TCXO 模块通常包含自己的稳压器，以保护振荡器免受外部电源电压变化的影响。

结论

作为谐振元件，石英晶体提供了非常精确、稳定和廉价的频率参考。此外，晶体和晶体振荡器现在具有一系列令人印象深刻的参数和应用，可以满足您的设计要求。

更重要的是，许多器件集成了振荡器电路，进一步促进了设计过程。如果您需要更高质量的时钟，晶体振荡器模块可以提供有效的替代方案，展示出比其集成振荡器等效产品更高的精度和更好的稳定性；请记住，这些模块还提供电压控制频率或温度补偿。