石英晶体振荡器是精度高和稳定度高的振荡器,被广泛应用于彩电,计算机,遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器,为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号,目前晶体控制振荡器可以被认为包括放大器和反馈网络的一部分放大器输出并将其返回放大器输入端.详情如下:
这种电路的概括描述如下所示.

为了使振荡器电路工作,有两(2)个条件
必须满足:
(一)环路功率增益必须等于1.
(二)环路相移必须等于0,2Pi,4Pi等.弧度.
反馈到放大器输入端的功率必须足以提供振荡器输出,放大器输入以及克服电路损耗.
振荡器工作的确切频率取决于振荡器电路中的环路相位角偏移.相位角的任何净变化都会导致输出频率的变化.由于有源晶振振荡器的通常目标是提供基本上独立于变量的频率,因此必须采用一些方法来最小化净相移.也许最小化净相移的最好,当然也是最常见的方法是在反馈环路中使用石英晶振单元.
石英晶体的阻抗随着施加频率的变化而发生巨大变化,以至于所有其他电路元件都可以被认为具有基本恒定的电抗.因此,当晶体单元用在振荡器的反馈环路中时,晶体单元的频率将自我调节,使得晶体单元呈现满足环路相位要求的电抗.石英晶体单元的电抗与频率的关系如下所示.

从图2.0可以明显看出,石英晶体单元有两个零相位频率.第一个或两个频率中的较低一个是串联谐振频率,通常缩写为Fs.零相位两个频率中的第二个或更高的频率是并联或反谐振频率,通常缩写为Fa.串联和并联谐振频率在振荡器电路中都表现出电阻性.在串联谐振点,电阻最小,电流最大.
在平行点,电阻最大,电流最小.因此,并联谐振频率Fa不应用作振荡器电路的控制频率.
通过在振荡器电路的反馈回路中包括电抗元件(通常是电容器),可以使石英晶体单元在串联和并联谐振点之间的线上的任何点振荡.在这种情况下,振荡频率将高于串联谐振频率,但低于并联谐振频率.由于电容增加导致的频率高于串联谐振频率,所以通常称为并联频率,尽管它低于真正的并联频率.
正如石英晶体单元有两个零相位频率一样,也有两个主振荡器电路.这些电路通常用所用晶振单元的类型来描述,即"串联"或"并联"
串联电路:
串联谐振振荡器电路使用晶体,该晶体被设计成在其自然串联谐振频率下工作.在这种电路中,反馈回路中没有电容.使用串联谐振振荡器电路主要是因为它们的元件数量很少.然而,这些电路可以提供不同于通过晶体单元的反馈路径.因此,在晶体失效的情况下,这种电路可能继续以任意频率振荡.基本串联谐振振荡器电路的描述如下.

从图3.0中可以明显看出,如果需要调整,串联谐振振荡器电路无法调整输出频率.在上述电路中,电阻器R1用于偏置逆变器并使其在其线性区域内工作.该电阻还向逆变器提供负反馈.电容器C1是耦合电容器,用于阻挡DC电压.电阻器R2用于偏置晶体单元.该电阻强烈影响晶体单元的驱动电流,因此必须注意不要选择太小的值.晶体单元Y1是串联谐振晶体单元,指定以期望的频率和期望的频率容差和稳定性工作.
并联电路:
并联谐振振荡器电路使用晶体单元,该贴片晶振单元被设计成在负载电容的特定值下工作.这将导致晶体频率高于串联谐振频率但低于真正的并联谐振频率.这些电路除了通过晶体单元外,不提供路径来完成反馈环路.如果晶体单元出现故障,电路将不会继续振荡.并联谐振电路的基本描述如下

该电路使用单个逆变器,反馈回路中有两个电容.这些电容包括"负载电容",并与晶体单元一起确定振荡器的工作频率.随着负载电容值的变化,振荡器的输出频率也随之变化.因此,如果需要调整,该电路确实提供了调整输出频率的便利手段被要求.
电阻器R1和R2具有与图3.0所示串联谐振电路相同的功能.两个负载电容CL1和CL2用于确定晶体单元以及振荡器的工作频率.晶体单元Y1是并联谐振晶体单元,被指定以负载电容的指定值,期望的频率以及期望的频率容限和稳定性工作.
负载电容:
参考了"负载电容的指定值".负载电容可以定义为"晶体连接点上振荡器电路中存在的电容值,无论是测量的还是计算的"在串联谐振电路的情况下,晶体单元的连接点之间不存在电容,因此,不需要为串联谐振压电石英晶体单元指定负载电容.在并联谐振振荡器电路的情况下,存在电容.由于直接测量该电容是不切实际的,通常需要计算该值.负载电容值的计算通过以下等式完成:

其中CL1和CL2为负载电容,CS为电路杂散电容,通常为3.0至5.0pF.
必须注意,负载电容值的变化将导致振荡器输出频率的变化.因此,如果需要精确的频率控制,则需要负载电容的精确规格.为了说明,假设晶体单元被指定在20.000MHz的频率下工作,负载电容为20.0pF.假设晶体单元然后被放置在呈现30.0pF值的电路中.晶体单元的频率将低于规定值.相反,如果有问题的电路出现10.0pF的值,频率将高于规定值.频率和负载电容之间的关系如下所示.

驱动水平:
"驱动电平"是晶体单元在工作时消耗的功率.功率是外加电流的函数,通常用毫瓦或微瓦表示.晶体单元被指定为具有一定的驱动电平最大值,该值随着频率和操作模式的变化而变化.最好咨询晶体单元供应商,了解特定晶体单元允许的最大驱动电平值.超过给定晶体单元的最大驱动水平可能会导致运行不稳定,老化率增加,并且在某些情况下会导致灾难性损坏.驱动水平可以通过以下等式计算:

其中,I是通过晶体单元的均方根电流,R是所讨论的特定晶体单元的最大电阻值.等式(2)简单地表示功率的"欧姆定律".
工作振荡器电路中实际驱动电平的测量可以通过暂时插入与晶体单元串联的电阻来完成.电阻器必须与晶体单元具有相同的欧姆值.然后可以读取电阻两端的压降,并计算电流和功耗.然后必须移除电阻器.作为测量驱动电平的替代方法,如果空间允许,可以在32.768K晶体单元的输出引线处使用电流探针.
频率与泛音模式:
石英晶体单元的频率受物理振动石英元件的尺寸.在某些情况下,限制尺寸是长度和宽度.在这种情况下最受欢迎的晶体单元"AT"切割晶体单元极限尺寸是振动石英的厚度元素.随着厚度的减小,频率为增加了.在某个时刻,通常在30.000MHz左右石英板的厚度变得太薄,无法加工.如果希望开发一个频率的振荡器高于极限频率时,必须利用优势石英晶体单元将以奇数振荡的事实他们"基本"频率的倍数.我们可以定义"基本"频率是指在给定的一组机械尺寸下自然发生."因此,如果晶体单元的基频为10.0MHz时,也可以在3,5,7等频率下振荡.倍最基本的.也就是说,该单元将在30.0,50.0,70.0等.兆赫.基频的倍数被称为"泛音",由乘法,如"第三泛音","第五泛音",等等.当需要在泛音频率下使用时,晶体必须指定装置以所需频率运行,并且期望的泛音.一个人不应该试图订购一个基模有源晶振单元,然后在泛音频率.这是因为水晶制造过程因基频和泛音而异水晶单位.在许多情况下,所用集成电路的特性在特定的振荡器设计中,要求基波晶体单元的频率被抑制以确保以期望的频率和期望的泛音工作.在这种情况下,通常需要修改振荡器电路.一种修改方法是增加一个"储能"电路,包括电感器和电容器.这些修改如图6.0和7.0所示

图6.0描述了串联谐振电路的修改虽然图7.0描述了并联谐振的修改电路.
在这两种情况下,振荡电路都被调谐到基频和所需频率之间的某个频率上谐振.这导致不想要的频率被分流到地,只在振荡器的输出端留下想要的频率.
设计考虑:
为了振荡器电路的良好运行,应遵循某些设计考虑.在所有情况下,建议避免平行走线,以降低电路杂散电容.所有走线应尽可能短,部件应隔离,以防止耦合.接地层应该用来隔离信号.
负电阻:
为了获得最佳性能,石英晶体振荡器振荡器电路的设计必须能够提高"负电阻",这种电阻有时被称为"振荡容限"给定电路中负电阻值的评估是通过临时安装一个与晶体单元串联的可变电阻来完成的.电阻最初应设置在其最低设置,最好接近零欧姆.振荡器随后启动,输出在示波器上监控.然后调节可变电阻,以便在连续监控输出的同时增加电阻.在某个电阻值时,振荡将停止.此时,测量可变电阻以确定振荡停止时的欧姆值.必须将供应商规定的石英晶体单元的最大电阻加到该值上.总欧姆电阻被认为是"负电阻"或"振荡容限"为了电路工作良好,可靠,建议负电阻至少为的规定最大电阻值的五倍
水晶单元.
负电阻值超过晶体单元最大电阻的五倍更好.由于负电阻在高温下会降低,建议在最高温度下进行测试操作范围的.

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