康比电子本文旨在为工程师提供有关晶体控制振荡器的基本信息.出于本文的目的,振荡器可以定义为用于稳定时频发生器的设备,特别是那些提供数据处理设备使用的时钟信号的设备.由于具有内置计时功能的微处理器设备的激增,有源晶振几乎无处不在.尽管有这种趋势(或者也许是因为它),总结振荡器的基本信息是有用的.
在其最简单的形式中,振荡器由两个网络组成,即放大器网络和反馈网络.图1.0说明了这种基本配置.

图1.0

正如所料,放大器网络放大了所施加信号的强度.反馈网络接收该信号,校正可能存在的任何异相情况,然后将信号返回到放大器网络和振荡器的输出级.只要振荡器通电,该过程就会持续.由于所讨论的设备的性质,我们可能理所当然地认为反馈网络的输入侧将存在异相条件.
基于以上所述,反馈网络似乎对振荡器的成功运行至关重要,事实上,情况绝对如此.虽然可以使用诸如LCR网络之类的分立组件的某种组合作为相位校正机制,但经验表明这种方法很少令人满意.这样的电路将具有非常低的"Q"值并且在物理上将非常大.然而,其最大的缺点是这种网络完全不能在任何显着的温度偏差下保持合理的频率稳定性.
因为振荡器的通常目标是为输出级提供特定的,良好控制的频率,所以需要精确的相位校正方法.经验表明,压电石英晶体单元非常适合这项任务.
出于本讨论的目的,我们假设图1.0的放大器网络由集成电路组成,反馈网络由石英晶体组成.在振荡器电路按预期运行之前,必须满足两个条件:
1.电路周围的环路增益必须等于1或1.这可以通过放大器网络的自限制特性或通过一些外部增益控制电路来实现.
2.电路周围的净相移必须等于2pn,其中n是整数,通常为1或2.在我们的本例中,石英晶振负责将相位移动到满足条件2所需的程度.如果信号非常不同相,频率远离谐振器的谐振频率,则振荡器将无法按预期运行（如果有的话）.
施加信号的相位变化不仅导致频率的变化,而且导致电抗的变化.虽然振荡器内的所有组件可能或多或少地引起电抗的变化,但是石英晶体的电抗非常明显,以至于可以假设其他组件具有零电抗.

图2.0显示了石英晶体的电抗曲线.

如果我们以接近晶振自然谐振频率的频率施加交变信号,晶体将通过压电效应激励.随着频率的增加,我们将达到晶体电阻的程度最小,电流最大.该点被识别为"串联"谐振频率,在上面表示为"fs".此时晶体在零相位处谐振.
如果我们继续增加频率,我们将达到另一个零相位点,称为"反"或"平行"谐振点.此时,晶体单元的电阻最大,电流最小.该频率固有地不稳定,不应选择作为振荡器的工作频率.图2.0还示出了被识别为"通常并联共振区域"的区域.出于我们的目的,我们将该区域内的频率视为"并行"频率.
正如有两个与石英晶体相关的零相位频率,有两种基本类型的石英晶体振荡器.与晶体一样,第一种称为串联谐振型,如图3.0所示.

图3.0

图3.0所示的串联谐振电路能够在发生晶体故障时以某种非晶体控制频率振荡.如果需要,该电路不提供频率调整.该电路有时也很难启动.此外,真正的串联电路在生产中非常难以实现,因此输出频率通常与设计参数略有不同(如果仅有的话).

图4.0

第二种类型的电路是"并联谐振"电路,如图4.0所示.您将立即注意到包含两个电容,称为CL1和CL2.这些电容器位于贴片晶振外部,具有将谐振频率提高到高于串联谐振频率的效果.特别注意,振荡器频率增加而不是晶体频率.这个频率通常被称为"并行"频率,但实际上这是一个误称.该频率来自包含电容器,应恰当地称为"负载谐振"频率.由于电容器将频率增加到高于串联谐振频率的点,因此必须仔细计算和指定它们的值.
与串联谐振电路相比,图4.0所示的电路在晶体故障时不会继续振荡,并且如果需要调整则提供频率调节手段.所有振荡器电路都依靠噪声作为启动振荡的手段;并联电路通过电容器的介质提供额外的噪声.在使用集成电路的应用中推荐使用所谓的"并联谐振"电路.
本文仅简要概述有源晶振电路的基础知识.在任何涉及使用石英晶体振荡器的应用中,强烈建议读者尽可能早地在设计阶段与他的晶体供应商讨论这些要求.

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此文关键字：晶体控制振荡器石英晶振电抗曲线

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