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我們在本系列文章的上一部分探討了振蕩的基本原理，同時概述了不同類型的振蕩器。我們在本文章的第二部分準(zhǔn)備詳細(xì)介紹晶體振蕩器的運(yùn)行以及與其操作相關(guān)的不同參數(shù)。 半導(dǎo)體行業(yè)中常用的晶體振蕩器電路是一種皮爾斯晶體振蕩器。由于便于在IC中實現(xiàn)、具有良好的穩(wěn)定性、高Q因子（從10000到數(shù)十萬）和低制造成本，因此它在設(shè)計人員當(dāng)中最受歡迎。皮爾斯晶體振蕩器主要由充當(dāng)放大器（增益級）的邏輯門反相器、反相器輸入輸出之間的反饋電阻器以及外部晶振組件構(gòu)成，如圖1所示。這種布局稱為并行諧振電路。 任何提供振蕩的電路都必須滿足巴克豪森的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)：也就是說，環(huán)路增益幅度應(yīng)當(dāng)?shù)扔谡袷庮l率的整數(shù)，而圍繞環(huán)路的相移應(yīng)當(dāng)為0或者是2π的整數(shù)倍。 圖1：皮爾斯晶體振蕩器 在詳細(xì)介紹完整電路的操作之前，我們先仔細(xì)了解一下個別模塊及其功能。 倒相放大器與反饋電阻器：反相器模塊是一種可用作數(shù)字集成電路基本構(gòu)件的簡單CMOS邏輯非門。在傳統(tǒng)模式中其傳輸特性為非線性，如圖2所示。通常CMOS反相器的設(shè)計使反相器在接近電源電壓的1/2處能夠提供最大增益。在設(shè)計過程中通過調(diào)整P-MOS與N-MOS的大小可以實現(xiàn)上述目標(biāo)。在上述最大增益范圍內(nèi)，邏輯非門開始充當(dāng)放大器的作用。不過，離開外部組件的幫助其無法單獨放大任何信號。反相器自身可以提供180°的相移。另外180°相移必須由外部組件提供，以符合巴克豪森標(biāo)準(zhǔn)的要求。 圖2：(a）CMOS邏輯非門；(b）反相器的傳輸特性；(c）反相器的增益 當(dāng)反相器輸入與輸出端子之間連接反饋電阻器（Rf）時，它把自身偏置到Vin=Vout的位置。振蕩器電路中所用的反相器可以確保反相器偏置點及其最大增益接近一半的電源電壓。因此，所使用的反饋電阻器可以克服反相器的非線性，同時可以把簡單邏輯門轉(zhuǎn)換成模擬放大器。此放大器可以幫助克服在電路中使用的晶振的損失。所使用的Rf值取決于電路設(shè)計用于的操作頻率。一般情況下是在設(shè)計階段確定振蕩器電路的最低與最高振蕩頻率范圍。操作頻率較低時的Rf值比操作頻率較高時要高。介于20MHz~40MHz之間的操作頻率一般采用450KΩ的Rf。當(dāng)反相器連接最佳的反饋電阻值，如果反相器輸入弱信號，則倒相放大器可以在輸出提供相當(dāng)大的變換，從而提供大于1的環(huán)路增益并達(dá)到巴克豪森標(biāo)準(zhǔn)。 電阻Rs被稱為驅(qū)動限流電阻器，因為它用于限制反相器的輸出，以確保晶振不會被過度激勵。但是，較大的Rs值會延長晶振的啟動時間；Rs的值越小，則振蕩器啟動越快。因此，設(shè)計人員必須選擇最佳值，以便在晶振不會被過度激勵的同時提供足夠的電流以啟動振蕩。另外它還有助于把輸出驅(qū)動器與CL1、CL2及晶振產(chǎn)生的復(fù)雜阻抗進(jìn)行隔離。在某些高頻振蕩器中，其取值也可以為0。晶振制造商通常會提供晶振的最高驅(qū)動電容。在把晶體用于皮爾斯振蕩器之前應(yīng)當(dāng)慎之又慎，因為過度激勵可能導(dǎo)致晶振加快老化。 至此，我們已經(jīng)說明了如何在推薦的振蕩器電路中實現(xiàn)必要的環(huán)路增益與180°的相移。在了解如何實現(xiàn)另外的180°相移之前，我們先探討一下石英晶體的基本細(xì)節(jié)。 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：皮爾斯晶體振蕩器，倒相放大器與反饋電阻器 第2頁：石英晶體的基本細(xì)節(jié)（1） 第3頁：石英晶體的基本細(xì)節(jié)（2） 【系列文章】 振蕩器– 生成精確時鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第3部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(1) 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(2) 《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 石英晶體： 雖然存在眾多可滿足振蕩器基本要求的結(jié)晶物質(zhì)，但是晶體的最常用材料是石英，因為它具有許多理想特性而且容易獲取。石英晶體由壓電材料組成，其在經(jīng)受機(jī)械振動后、在物理晶體的機(jī)械共振作用下可以穩(wěn)定振蕩器的頻率。壓電效應(yīng)是石英晶體操作的關(guān)鍵 – 通過此效應(yīng)可以把電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，然后再重新連接到電氣系統(tǒng)。石英晶體所著稱的是其能夠在按正確順序連接正確組件情況下產(chǎn)生頻率非常精確而又穩(wěn)定的電信號。之所以這樣是因為晶體在布局到放大器反饋網(wǎng)絡(luò)之后可以起到調(diào)諧電路的作用。當(dāng)其如圖1所示連接到放大器電路時，有少量能量反饋到晶體中，導(dǎo)致它發(fā)生振動。這些機(jī)械振動可以穩(wěn)定所產(chǎn)生的共振頻率。這種電路則稱為晶體振蕩器。石英晶體可以建模成無源元件的組合。圖3說明基本模式晶體的等效電路，其中： R1:是晶體的動生電阻，代表晶體的機(jī)械損失。放大器與外部偏置網(wǎng)絡(luò)必須補(bǔ)償其損失，以便維持順利振蕩。這種基于放大器與偏置網(wǎng)絡(luò)的損失補(bǔ)償稱為振蕩器電路的‘負(fù)電阻’（在系列文章后面將會探討）。 C1:是動生電容，代表在振動過程中獲得的電荷。 L1:是動生電感，代表晶體物質(zhì)的運(yùn)動。 C0:是晶體電極之間的分流電容以及支架產(chǎn)生的雜散電容。請注意：此僅為等效電路中的物理值，而所有其它組件均為等效組件。 圖3: 晶體等效電路 可以從等效阻抗方程式獲得此電路的共振頻率表達(dá)式。從圖3可以看出電路并聯(lián)兩條支路；第一條支路包含等效動生參數(shù)（如：Z1），而第二條支路包含物理電容（如：Z2）。總阻抗計算如下： 我們在求解此方程式時省略幾部。我們可以調(diào)整上述方程式，以便整理分子與分母中的實部與虛部。我們可以借助共軛乘法寫出Rt+jXt形式的最終表達(dá)式。對于共振，應(yīng)當(dāng)只有一個電阻（實際）組件，即：Xt= 0。根據(jù)上述步驟以及所采用的條件，我們可以求得下述方程式： 求算此方程式可以得到下解： 對于實際的石英晶體，R1一般低于100Ω，L1的量級為mH，C1為fF，而C0的范圍為幾pF。基于上述假設(shè)，則下式通常適用于實際的晶體： 因此，我們可以忽略不重要的項，針對共振角頻率將方程式調(diào)整為： 因此，我們可以獲得兩個共振頻率 – 一個采用減號，其可稱為串聯(lián)共振頻率Fs。 請注意：串聯(lián)共振頻率僅取決于動態(tài)支臂的當(dāng)量，因此它被稱為晶體動態(tài)支臂的自然頻率。在此頻率時，動態(tài)支臂的感抗可以抵消其容抗，而晶體僅顯示電阻性且沒有任何相移。串聯(lián)共振頻率時的阻抗達(dá)到最小值，其幾乎等于動生電阻R1。在串聯(lián)共振頻率，電阻器R1與Z2（分流容抗）并聯(lián)。不過，由于此頻率時容抗極高，因此并聯(lián)組合的等效電阻幾乎與R1相同。因此，R1又被稱為Fs時的等效串聯(lián)電阻（ESR）。 采用上述式（4）中的加號可以獲得另一個稱為反共振頻率FA的共振頻率： 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：皮爾斯晶體振蕩器，倒相放大器與反饋電阻器 第2頁：石英晶體的基本細(xì)節(jié)（1） 第3頁：石英晶體的基本細(xì)節(jié)（2） 【系列文章】 振蕩器– 生成精確時鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第3部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(1) 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(2) 《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 對于實際的晶體，我們可以再次合理假設(shè) 因此我們可以忽略不重要的項，以求得反共振頻率的近似方程式： 調(diào)整各項后得到： 在反共振頻率時，動態(tài)支臂的電抗與分流電容（C0）共振。此條件下阻抗達(dá)到最大值。 圖4的晶體電抗曲線顯示了這兩個共振頻率。僅通過式（1）的虛部即可繪出此曲線。從圖中可以看出，晶體在Fs與FA之間時是在感抗區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。此區(qū)域又被稱為并聯(lián)共振區(qū)。而在低于Fs和高于FA的區(qū)域時，晶體則在容抗區(qū)域運(yùn)行。 圖4：晶體電抗與頻率 圖1所示的布局在開始被稱為并聯(lián)共振電路，因為基于此電路的晶體是在并聯(lián)共振區(qū)域（即：電感區(qū)）運(yùn)行。倒相放大器提供第一次的180°相移，而共振晶體和在振蕩器兩側(cè)添加的兩個外部負(fù)載電容器組成的PI網(wǎng)絡(luò)提供另外的180°相移。實際上放大器提供稍高于180°的相位滯后；因此，為了達(dá)到巴克豪森的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，晶體必須呈現(xiàn)些微電感性。對于并聯(lián)共振晶體，制造商會提供與晶體一起在指定頻率振蕩的電容性負(fù)載。例如，額定值為25MHz與12pF的晶體只有檢測到其終端存在12pF有效電容性負(fù)載情況下才會準(zhǔn)確地以25MHz頻率共振。實際共振頻率取決于所探測到的電容性負(fù)載，其可從下式求出： 在并聯(lián)共振運(yùn)行過程中，晶體阻抗為電感性，其可充當(dāng)一個高質(zhì)量電感器。另外，此頻率時的動生電阻R1被轉(zhuǎn)換成更高的有效串聯(lián)電阻，其可從下式求出： 對于串聯(lián)共振電路或者必須以額定Fs振蕩的晶體，通常由振蕩器電路自身提供振蕩所需要的所有必要相移和環(huán)路增益，而不需要任何外部電容器。在此情況下，晶體自身可以幫助把振蕩頻率穩(wěn)定到其能夠單純顯示電阻性的位置。添加任何外部電容都會降低操作頻率。值得注意的是，除了額定頻率之外，串聯(lián)與并聯(lián)共振晶體之間實際上并無差異。如果在皮爾斯振蕩器電路中采用串聯(lián)共振晶體（其就是額定頻率為Fs的晶體），則振蕩頻率會比額定頻率高大約200ppm。換句話說就是，并聯(lián)共振晶體額定值比串聯(lián)共振頻率高大約200ppm。實際頻率可從式（7）求出。 至此，我們已經(jīng)通過認(rèn)識不同的功能塊討論了振蕩的基本原理以及如何在晶體振蕩器中進(jìn)行實現(xiàn)。另外，我們還通過各種方程式詳細(xì)探討了相關(guān)內(nèi)部架構(gòu)與不同類型的共振頻率。本系列文章的下一部分將會研究與晶體振蕩器相關(guān)的各種參數(shù)及其在最終系統(tǒng)設(shè)計中的重要性。 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：皮爾斯晶體振蕩器，倒相放大器與反饋電阻器 第2頁：石英晶體的基本細(xì)節(jié)（1） 第3頁：石英晶體的基本細(xì)節(jié)（2） 【系列文章】 振蕩器– 生成精確時鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第3部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(1) 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(2) 《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 |
