石英晶体振荡器因极具高的性能,可靠性等特点,被广泛使用在各种不同行业领域中.同步数字系统的出现,令不起眼的振荡器成为基于微处理器的现代数字系统的核心.振荡器的数千种应用创造了极其广泛的振荡器源及配置,并且采用流形谐振器结构.
尽管如此,由于谐振器和内部放大器种类繁多,若干种温度稳定方案也不相同,因此在选择OSC晶振时往往忽视了对其用途的充分了解.所有这些因素都会影响器件的尺寸,精度,稳定性和成本,以及它们在设计中的应用方式.本文将帮助设计人员更好地了解振荡器的操作和结构,关键规格,以及如何与设计要求相匹配.同时会探讨输出波形,频率精度和稳定性,相位噪声,抖动,负载和温度变化以及成本,还有如何以最佳方式使用振荡器来获得设计成功.
振荡器基础知识
石英晶体振荡器是一种电子电路,能够以需要的频率产生周期波形.通用振荡器的功能框图包含一个放大器,以及一个带有频率选择性反馈网络的反馈路径(图1).如果回路增益在所需的振荡频率下等于或大于1,同时回路的相移等于2p弧度的倍数,则可以启动并维持振荡.这是一种正反馈条件.
频率相关网络可以是电感电容(LC)网络,或是电阻电容(RC)网络,但精密振荡器通常需要采用谐振器.谐振器选型是需要处理的规格之一,因为每种谐振器都有自身的优缺点.
图1:基本振荡器的功能示意图由一个放大器及一个频率选择性网络或谐振器组成(采用正反馈配置).
常用的谐振器包括石英晶振,表面声波(SAW)滤波器或微机电系统(MEMS).
当这样的振荡器首次上电时,电路中的唯一信号就是噪声.在满足振荡增益和相位状态的频率下,噪声元素会围绕电路环路循环,而且振幅会因电路的正反馈而逐渐增加.信号振幅会持续增加,直至因放大器特性或外部自动增益控制(AGC)单元而受到限制为止.此时可以控制振荡器输出的波形,常见的波形选择包括正弦波,削顶正弦波或逻辑("0"或"1")输出.如果选择逻辑输出,则还必须选择逻辑系列(HCMOS,TTL,ECL,LVDS…).
正弦输出主要用于通信相关应用中的载波和本地振荡器信号生成,在这些应用中频谱纯度是关键考虑因素.正弦波形仅在基本频率下才具有明显功率,在谐波频率下几乎没有功率.
OSC晶振的关键规格是频率稳定性,该参数定义了普通有源晶振保持频率的程度.相关的规格包括老化率,该参数具体说明了振荡器频率在相当长的时间间隔(通常是一年)内的漂移情况.随着应用速度的提高,振荡器相位的短期变化已经成为一个重要问题.这种短期的相位变化称为振荡器的相位噪声.相位噪声是一种频域规格.等效时域规格包括相位抖动或时间间隔误差.
谐振器
在基本振荡器中,反馈网络可以是几种谐振结构中的任何一种.最常见的是压电石英晶体.石英晶体谐振器使用压电效应.施加在晶体上的小电压导致晶体变形,而施加在晶体上的力则会产生电荷.这一系列的机电互换形成了非常稳定的振荡器的基础.这种效应会在特定频率下产生振荡,而该频率与晶体类型,切割晶体的几何方向及晶体尺寸有关.
晶体固定在两个电极之间,从而形成晶体谐振器的输入和输出.在这些条件下,晶体就像一个高选择性LC电路(图2).可以观察到,固定座中的晶体可由一个串联RLC电路表示,这表明晶体的串联谐振频率由模型分量LS和CS控制.并联电容器代表固定座和相关接线的电容.并联电容CP与串联电感LS反应,产生并联谐振频率.在运行过程中,串联谐振可控制谐振器运行.晶体的基频范围为千赫兹(kHz)32.768K到约200兆赫兹(MHz).
图2:石英晶体的等效电路模型.模型分量LS和CS可确定串联谐振频率,而LS,CS和CP用于确定并联谐振.(另一种常用谐振器是表面声波(SAW)谐振器(图3).
图3:SAW滤波器/谐振器使用安装在压电基底上的叉指式换能器,在换能器之间的间隙产生表面声波,从而在输出端产生频率相关的响应.
SAW滤波器是一种频率选择性器件,该器件使用沿弹性基底表面传播的表面声波.如图所示,利用基底上的导电通路所形成的叉指式换能器(IDT)生成并检测SAW.SAW滤波器/谐振器的工作频率范围为10MHz至2GHz.频率取决于IDT元件的尺寸和基板材料的特性.SAW器件的电路模型与石英晶体的模型相似.SAW谐振器的制造成本低廉,可使用光刻法在小型封装中制造.这些振荡器称为SAW振荡器(简称“SO”).
微信号
公众号
