石英晶体振荡器利用晶体的机械振动来产生时钟信号,石英晶体振荡器

石英晶体振荡器是一种产生重复或周期性时变信号的电子电路.在微控制器系列1或无线SoC系列1设备,该振荡器信号用于对设备中指令和外设的执行进行时钟控制.收音机通信振荡器还为转换器提供精确的低噪声频率参考.有多种方式产生这样一个信号,每个信号具有影响工程成本,电路板尺寸和时钟信号稳定性的不同特性.

RC振荡器

RC振荡器由电阻,电容和反相放大器构成.它们成本低,启动时间短,但是通常不太精确并且产生更多的噪声.单片机系列1或无线SoC系列1设备提供多个内部谐振电路,包括一个高频谐振电路和一个低频谐振电路lator(LFRCO).虽然内部RC振荡器将确保微控制器系列1或无线SoC系列1设备的正常工作,它们不适用于无线电通信等应用.

晶体振荡器

晶体振荡器利用晶体的机械振动来产生时钟信号.由于水晶的分子组成-这种类型的振荡器在很宽的温度范围内非常精确和稳定.这最常用的晶体是石英晶振.生产石英晶体需要非常稳定的温度和压力条件几周之后.这使得晶体振荡器比RC振荡器更贵.

1.1压电性

石英晶体具有直接的压电特性.这意味着外加电场会导致晶体变形.相反,a晶体的变形会在端子上产生电压.一旦振荡器启动,终端上不断变化的电压-振动晶体的nals用作时钟信号.

1.2振荡器的基本原理

石英晶体振荡器利用晶体的机械振动来产生时钟信号

图1.1.简化反馈振荡器环路

石英晶体振荡器背后的原理是满足巴克豪森条件的正反馈环路:如果闭环增益大于团结和总相位滞后是360,最终的闭环系统是不稳定的,将自我加强.这是必要的,但不是存在振荡的充分条件.当满足必要条件时,振荡器中的任何干扰(噪声)将导致振荡开始.满足巴克豪森条件的频率放大最多,因为它与原始信号.

初始振荡非常微弱,需要时间将信号放大到所需的幅度.当振荡建立时,只需要少量的能量来补偿电路中的损耗.数学上,需要闭环增益为1保持稳态振荡.微控制器系列1或无线SoC系列1依赖于由控制的可调电流源自动增益控制器,以实现并保持所需幅度.

第4页的图2.1简化反馈振荡器环路显示振荡器电路由两部分组成;放大阶段以及决定哪个频率经历360°相位滞后的滤波器.在晶体振荡器的情况下,滤波器由晶体组成和外部负载电容器.

1.2.1启动时间

闭环增益的大小对启动时间有很大影响.高增益时,信号必须减少了在环路周围传播以达到期望的振幅.对于快速启动,高增益是首选.出于同样的原因,振荡频率会影响启动时间在千赫范围内的晶振会有相当长的时间启动时间比MHz范围内的晶体长,因为循环环路所需的时间更长.微控制器的典型启动时间系列1或无线SoC系列1对于低频振荡器为200-400毫秒,对于高频振荡器为200-400毫秒.

1.3晶体建模

晶体可以用第5页图2.2晶体的等效电路来描述.

石英晶体振荡器利用晶体的机械振动来产生时钟信号

图2.2.晶体的等效电路

CS是运动电容.它代表从晶体位移中获得的压电电荷.

RS是运动阻力.它代表晶体中的机械损耗.

LS是运动电感.它代表晶体中的运动质量.

C0是电极之间的分流电容和外壳的杂散电容.

对于低频,等效电路将呈现容性行为,如图2.3电抗与频率的关系所示在第5页.随着频率的增加,电感的存在变得更加明显,电抗也随之增加.忽略并联电容C0,串联谐振频率定义为电感器和电容器的电抗抵消的频率.在这个频率-频率贴片晶振看起来只是电阻性的,没有相移.因此,串联谐振频率决定了CS的值和LS,可以用下面的公式计算.串联谐振频率是自然谐振频率,其中机械能和电能之间的能量转换最有效.

石英晶体振荡器利用晶体的机械振动来产生时钟信号

图1.3.电抗与频率的关系

石英晶体振荡器利用晶体的机械振动来产生时钟信号

在更高的频率下,等效电路将呈现电感性,这意味着更高的阻抗.当感抗从晶体抵消了并联电容C0的容抗,存在零相移的另一个石英晶体谐振器谐振频率.这频率被称为反谐振频率fA.在此频率下,阻抗处于最大值.晶体中的电感并且分流电容将相互馈送并且获得最低可能的电流消耗.

fS和fA之间的频率范围称为平行谐振区域,是晶体正常振荡的地方.在谐振频率,反馈环路中的相位滞后由一个具有180°相位滞后的放大器和两个具有组合180°相位滞后.实际上,放大器提供略高于180°的相移,这意味着晶体必须出现略微归纳以满足巴克豪森标准.

1.3.1串联和并联谐振晶体

并联谐振晶体需要容性负载以指定频率振荡,这是所需的谐振模式MCU系列1或无线SoC系列1设备.在MCU系列1或无线SoC系列1设备上,负载电容位于片内,它们的值可以由固件控制.因此,MCU系列1或无线SoC系列1设备不需要外部设备加载电容,降低材料成本,节省印刷电路板空间.并联谐振晶体的精确振荡频率可以计算出来与下面的等式相关,其中CL是晶体看到的负载电容.因此,CL是一个重要的设计参数在平行谐振晶体数据表中给出.