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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規(guī)范，例如晶體牽引范圍、驅動功率、晶體穩(wěn)定性與溫度變化的關系，以及老化等。在這個部分，我們將繼續(xù)探討其余的技術規(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會導致低振蕩容差（對負電阻的裕量）。 ●較弱的環(huán)路增益也會導致較長的啟動時間，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部，這樣在啟動過程中僅需簡單開關即可切斷負載電容。 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。示波器的時間標尺進行了調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–技術規(guī)范解讀(1) 《電子技術設計》網(wǎng)站版權所有，謝絕轉載 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計來實現(xiàn)。其中，主要響應也是最想得到的響應是“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確倍數(shù)。但是，泛音響應的范圍與同階次的諧波響應很接近，即晶體的3次泛音響應一般在2.8至3.2倍基波響應的范圍之內。在大部分應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。 當在未經調諧的數(shù)字電路中使用晶體時應特別注意，因為不需要的模式可能會因噪聲、高驅動功率或低負電阻的原因而意外占據(jù)主導地位。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 盡管說大部分應用都不需要泛音模式，但在特定應用中應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?shù)脑O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。這類響應稱為寄生波響應。該模式屬于低功耗模式，但可能使振蕩器調諧到錯誤的頻率上。寄生波響應出現(xiàn)在距離所需共振模式幾kHz的臨近范圍內。該模式可能與溫度有關，此時寄生波響應會因溫度系數(shù)不同而穿過主節(jié)點；或者在晶體經受機械振動時出現(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–技術規(guī)范解讀(1) 《電子技術設計》網(wǎng)站版權所有，謝絕轉載 |
