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在本系列的上篇文章中，我們介紹了晶體的一些重要技術(shù)規(guī)范，例如晶體牽引范圍、驅(qū)動功率、晶體穩(wěn)定性與溫度變化的關(guān)系，以及老化等。在這個部分，我們將繼續(xù)探討其余的技術(shù)規(guī)范，例如啟動時間、晶體泛音和寄生波模。 啟動時間：晶體振蕩器啟動時間是非常重要的參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計人員在使用之前必須查看數(shù)據(jù)表。在器件加電后并不會立即建立振蕩，而是要等待幾毫秒至幾秒的時間。啟動時間取決于各種參數(shù)，例如晶體頻率、額定負載電容、倒相放大器的增益和負電阻等。造成啟動時間長的一些主要原因有： ●具有很高的Q值和（或）高額定負載電容的晶體啟動相對較慢。 ●具有高ESR電阻的晶體比低ESR電阻的晶體啟動慢，因為高ESR會導(dǎo)致低振蕩容差（對負電阻的裕量）。 ●較弱的環(huán)路增益也會導(dǎo)致較長的啟動時間，因為與穩(wěn)定的振蕩相比，在啟動過程中需要比較高的放大率或增益。 振蕩器電路設(shè)計人員提供一種負載電容覆蓋機制，用以改進啟動時的負電阻。振蕩一旦實現(xiàn)后負載電容就會被釋放，以便讓晶體以額定頻率運行。注意，在這種配置下負載電容被集成到芯片內(nèi)部，這樣在啟動過程中僅需簡單開關(guān)即可切斷負載電容。 圖1給出了晶體在啟動過程中的行為。從圖中可以注意到，在加電后振蕩并沒有立即開始。振蕩在一定時間后才開始建立，期間擺動次數(shù)逐漸增加，最終達到穩(wěn)定。本實例中的總啟動時間約為600μs。示波器的時間標(biāo)尺進行了調(diào)整以便在一個屏幕上捕捉整個范圍，因此看不到單個振蕩周期。 圖1：晶體啟動 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：啟動時間 第2頁：晶體泛音和寄生波模 【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3部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(1) 《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 晶體泛音和寄生波模：晶體提供很多共振模式，可通過正確的晶體振蕩器設(shè)計來實現(xiàn)。其中，主要響應(yīng)也是最想得到的響應(yīng)是“基波模式”，這種模式的能量最大，對振蕩形成的貢獻最大，并具有最低的ESR。除了基波模式外，晶體也能響應(yīng)更高的共振頻率——稱為“泛音”。泛音總是奇數(shù)，即基波模式后面的數(shù)字，晶體可能具有3次泛音，5次泛音、7次泛音等。不要把泛音響應(yīng)與基波頻率的諧波相混淆。諧波總是低頻率的整數(shù)倍數(shù)，但泛音并非是基波頻率的準(zhǔn)確倍數(shù)。但是，泛音響應(yīng)的范圍與同階次的諧波響應(yīng)很接近，即晶體的3次泛音響應(yīng)一般在2.8至3.2倍基波響應(yīng)的范圍之內(nèi)。在大部分應(yīng)用中泛音模式是不需要的， 而且在不同電路中的激勵程度或大或小。 當(dāng)在未經(jīng)調(diào)諧的數(shù)字電路中使用晶體時應(yīng)特別注意，因為不需要的模式可能會因噪聲、高驅(qū)動功率或低負電阻的原因而意外占據(jù)主導(dǎo)地位。為此，我們可以讓晶體的3次泛音模式充分遠離振蕩器的電子3次諧波；或者盡量降低振蕩器的放大器增益，但仍提供足夠的負電阻以確保成功啟動。 圖2給出了泛音模式下晶體的電氣等效模型。可以發(fā)現(xiàn)動生電容CX1（其中X代表泛音模式）隨泛音模式的升高而減小。這里遵循一個近似規(guī)律，即X階次泛音的電容等于基波電容除以泛音階次的平方（方程式1）。此外，ESR隨泛音的升高而增大。 圖2：帶泛音支路的晶體等效電路 圖3給出了顯示泛音的晶體擴展電抗曲線。從曲線中可以看到，在有些頻率下晶體表現(xiàn)為純電阻性，在其它頻率下則處于電容性或電感性區(qū)域。主響應(yīng)的形成需要振蕩器的電氣屬性為晶體在該模式下的運行提供相應(yīng)條件。這又一次告訴我們晶體工作模式不僅僅由晶體參數(shù)決定，還由振蕩器設(shè)計中的電路決定。后者能過濾晶體的其它工作模式，使晶體處于單一工作模式中。 圖3：晶體泛音和寄生波響應(yīng) 盡管說大部分應(yīng)用都不需要泛音模式，但在特定應(yīng)用中應(yīng)極力推薦使用泛音模式。例如在晶體需要承受強烈機械振動的情況下，3次泛音模式就優(yōu)于相同頻率的基波模式，因為3次泛音模式具有更高的機械穩(wěn)定性。以3次泛音晶體振蕩器設(shè)計為例，最簡單的實現(xiàn)方式（還有其它方式）是對皮爾斯并聯(lián)共振振蕩器進行簡單擴展。添加一個與CL2并聯(lián)的電感器(L3)、電容器(C3)串聯(lián)支路，如圖4所示。在選擇L3與C3的值時要使形成的并聯(lián)共振電路的共振頻率大概處于基波頻率與3次泛音頻率的中間。基波模式被L3-C3網(wǎng)絡(luò)的濾波器特性所抑制，使整個電路在3次泛音下呈電容性，這正是3次泛音工作模式所需的。還可以利用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方案實現(xiàn)其它工作模式。 圖4：3次泛音晶體振蕩器 再次查看圖3，我們注意到除了基波模式和泛音模式外還有晶體共振模式。這類響應(yīng)稱為寄生波響應(yīng)。該模式屬于低功耗模式，但可能使振蕩器調(diào)諧到錯誤的頻率上。寄生波響應(yīng)出現(xiàn)在距離所需共振模式幾kHz的臨近范圍內(nèi)。該模式可能與溫度有關(guān)，此時寄生波響應(yīng)會因溫度系數(shù)不同而穿過主節(jié)點；或者在晶體經(jīng)受機械振動時出現(xiàn)，此時機械振動會小幅改變共振頻率。 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：啟動時間 第2頁：晶體泛音和寄生波模 【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3部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(1) 《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 |
