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在本系列文章的上一部分里，我們具體探討了晶體振蕩器的工作情況。現在我們將討論內容延伸到與晶體振蕩器有關的各種參數及其對最終系統設計的影響。 晶體牽引范圍：串聯共振頻率和抗共振頻率由非常小的值分開，通常是Fs的3000ppm。頻率分離可通過方程式1得到（參考上一部分的方程式9）。 這個頻率分離也被稱為晶體的牽引范圍。在上面的方程式中，C1/C0作為識別可牽引晶體的指示項。當為VCXO（電壓控制晶體振蕩器）應用選擇合適的晶體時，可將其作為快速選擇方法。 從上一部分的方程式10中推斷，可通過調整負載電容CL將串聯或并聯共振晶體從特定工作頻率牽引出來。利用方程式2計算FS與FP之間的差值(△FL)。 圖1給出了連接皮爾斯振蕩器的并聯共振晶體上的測量結果，其中y軸代表輸出頻率對額定頻率的偏離量(ppm)，x軸代表電容性負載。可以注意到，隨著負載電容值的增加，晶體發生共振的頻率要低于其額定的并聯共振頻率，反之亦然。曲線形狀隨晶體參數的不同而變化。曲線穿過0ppm時的CL值是額定的晶體負載電容。對于下面的圖表，使用了額定值為8pF和54MHz的晶體。 圖1：晶體頻率與CL 【分頁導航】 第1頁：晶體牽引范圍 第2頁：驅動功率 第3頁：頻率穩定性與溫度 第4頁：老化 【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2部分——振蕩器：如何生成精確時鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術規范解讀(2) 《電子技術設計》網站版權所有，謝絕轉載 驅動功率：晶體驅動功率定義了晶體的功耗。在設計晶體振蕩器電路時，設計人員必須考慮晶體的最大驅動功率，并確保不超過該值。晶體制造商提供晶體能夠承受的最大驅動功率數值。如果晶體過度激勵，可能會導致RF輻射、快速老化、泛音模式振蕩或者晶體的永久損壞。為避免這種情況，工程師在設計系統時應檢查晶體的技術規范和振蕩器電路。通常，ESR、C0/C1和CL參數最為重要，可用于計算驅動功率。這些值均由晶體制造商提供。 驅動功率可通過方程式3計算。 其中IRMS是流過晶體的電流，R1是動生電阻。用電流探針連接晶體引線以測量IRMS。如果無法測量電流，還可以用方程式4給的公式計算驅動功率。 其中R1是動生電阻，F是工作頻率，VD是晶體的峰值電壓，CL是外部負載電容， C0是分流電容。 現在我們來理解一下更高驅動功率的優勢和局限性。 優勢： ● 更高驅動功率有助于補償晶體ESR電阻的壓降，從而滿足更高增益的啟動要求。 ● 更高驅動功率提供更好的相位噪聲性能（相位偏差會導致頻率變化，以保持2nπ相位條件）。 局限性： ● 隨著驅動功率的增加，晶體震蕩的幅值也會增加。這可能導致過度老化，有些情況下會使晶體擊穿。 ● 增加驅動功率還會引起震蕩頻率的變化，因為晶體功耗增加會使溫度升高。 為確保晶體單元的驅動功率得到控制，大部分振蕩器電路設計人員都提供內置的自動增益控制(AGC)功能，用于在增益穿過某個閾值或在震蕩建立過程中減小放大器的增益。這樣有助于減小驅動功率并保持更佳的穩定性。 【分頁導航】 第1頁：晶體牽引范圍 第2頁：驅動功率 第3頁：頻率穩定性與溫度 第4頁：老化 【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2部分——振蕩器：如何生成精確時鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術規范解讀(2) 《電子技術設計》網站版權所有，謝絕轉載 頻率穩定性與溫度：溫度變化是影響晶體頻率的主要因素。對于在室溫下具有0ppm頻率精度的振蕩器而言，在較高溫度下其頻率可變化50ppm以上。因此，必須為應用選擇合適的晶體。AT切割晶體用下面的三次函數（方程式5）描述頻率-溫度特性。 其中A1、A2、A3取決于晶體的各種物理屬性， △F/Fr是相對頻率變化，在乘以100萬后變化值可以用PPM表示。 晶體的溫度穩定性由其制造商在晶體數據表中提供。下圖2給出了高度穩定的晶體隨溫度變化的典型曲線。 圖2：晶體頻率與溫度 【分頁導航】 第1頁：晶體牽引范圍 第2頁：驅動功率 第3頁：頻率穩定性與溫度 第4頁：老化 【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2部分——振蕩器：如何生成精確時鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術規范解讀(2) 《電子技術設計》網站版權所有，謝絕轉載 老化：晶體老化實際上是晶體在使用過程中晶體頻率隨著時間推移發生緩慢變化的過程。既可發生在正方向也可發生在負方向。盡管這種變化僅為幾十ppm，但在需要高精度時鐘信號的電路中會變得比較嚴重。晶體老化可能涉及不同機理，但主要由污染和/或晶體的機械應力造成。 ● 污染– 氧化物生長或腐蝕引起的很小的質量變化都會干擾共振頻率。晶體的質量會逐漸改變，原因是：石英（支架和玻璃）脫氣；雜質或金屬從電極向外擴散；或者晶格被輻射損壞。在晶體制造過程中，最佳的方法是讓所有材料盡量干凈，以避免因雜質出現任何污染或化學反應。 ● 機械應力 – 應力會因安裝、電極和環氧基樹脂的熱膨脹而在晶體中積聚。晶狀石英每個軸上的熱膨脹差異也會形成內部應力并造成晶體老化。晶體制造過程中的切削操作會產生殘留應力。此外，重力也會在晶體中產生機械應力。如果包含晶體的儀器的方向發生變化，那么重力會產生影響并改變頻率。在高重力條件下重力的影響變得顯著，例如加速儀器。 晶體制造商通常會在數據表中提供信息，告知在特定時間段內頻率會發生多大的偏移。 在本系列文章的下一部分中，我們將介紹晶體的其它技術規范，例如啟動時間、晶體泛音和寄生波模。 【分頁導航】 第1頁：晶體牽引范圍 第2頁：驅動功率 第3頁：頻率穩定性與溫度 第4頁：老化 【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2部分——振蕩器：如何生成精確時鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術規范解讀(2) 《電子技術設計》網站版權所有，謝絕轉載 |
