Quartz Crystal方案的设计选择
来源:http://www.jinluodz.com 作者:金洛鑫电子 2019年04月10
具有频率振荡功能的石英晶振大部分的封装尺寸都比较小,而且稳定性不错,这是因为在生产之前,厂家的工程和技术人员就已经计算并设计好了方案。产品都有属于自己的规格,晶振的规格可以说比较复杂,因为它的参数比较多,工程在设计的时候,要选择重点的那几项参数,频率频点可以说是比较重要的一个。其次是负载电容,温度特性,频率容差,激励功率,老化率等。
使用晶体的设计考虑因素:
晶体仅在最终应用中提供频率选择元件。需要外部元件,需要增益级来实现最终所需的时钟信号。通常认为晶体频率范围小于160MHz。高于此频率的晶体需要复杂的电路设计,难以调谐和专门的高频晶体。
频率温度特性:
晶体的频率响应由晶体通过石英晶体谐振器的原子平面切割确定。这导致稳定且可重复的温度响应。该图显示了AT切割晶体的不同切割的频率温度响应。每条曲线的弧度不同2分钟。CLOAD温度系数可以将此响应改变许多分钟.CLOAD值和电容对于振荡器满足所需特性至关重要。放大器的CSTRAY和放大器相移与温度的关系都会影响频率温度特性。
振荡器电路在晶体的谐振处产生AC电流。此AC电流或驱动电平必须低于临界值或晶振可能被损坏。过大的电流会导致晶体运动超过弹性极限并发生断裂。XY切割(音叉)32.768KHz手表晶体必须限制在约5μA或更小,否则晶体的尖齿会断裂。>1MHz的晶振通常是AT切割晶体。这些器件可以承受较宽的驱动电平范围。在达到毫瓦驱动水平之前不会发生断裂。在较高的μW驱动器范围内可能会发生老化。过度驱动晶体可以激发不需要的振动模式。这些可能导致在不同的窄温度范围内出现严重的频率跳变。
增益阶段:
需要提供CMOS或BJT增益级,有许多可接受的配置。该级的输入和输出阻抗会影响电路Q.放大器噪声电平会影响相位噪声和抖动。这个阶段在有源增益区域的偏置对于振荡器启动至关重要。此外,此阶段的带宽会影响启动特性。如果Oscillator电路要在泛音上操作晶体,则在放大器电路中需要频率选择器件以确保电路仅在所需的晶体谐波处具有所需的增益和相移。
指定晶体和进行检查:
石英谐振器有许多参数应该指定,以确保接收满足最终应用要求的器件。
•频率
•校准,设定点为25°C
•CLOAD
•稳定性,频率与温度的关系,参考温度为25°C
•工作温度范围
•Cl的最大ESR,晶体谐振电阻
•C0范围,引脚对引脚电容
•LMOTIONAL或CMOTIONAL,设定晶体的可拉性
•驱动器级别
•频率和电阻的驱动电平相关性(DLD)
•老化
•绝缘电阻
还有其他规格,例如每°C允许的最大频率变化,或平滑曲线允许的最大频率响应(扰动控制)。
进货检验或测试需要专门的设备:
•晶体阻抗计(CI仪表)
•带有特殊测试夹具和软件的网络分析仪
PWB/PCB布局:
电路板布局对于实现最佳性能至关重要。以下是一些注意事项:
•引线长度必须尽可能短。
•晶振引线具有高阻抗,对噪声非常敏感。
•电容器和晶体封装的接地节点不得涉及噪声源的循环电流。
•如果引线上的泄漏路径低于500K欧姆,这可能会影响振荡器启动,并且还会将频率移动几个ppm。当晶体用于设置最终用户提供的振荡器的频率时,必须进行许多考虑和设计参数以确保最佳性能。
CLOADVALUE:
在大多数情况下,晶体以电抗负载运行。这允许调整最终应用中的最终频率。通常需要这样来校正晶体的频率变化与时间的关系。CLOAD值确定频率与负载电容的灵敏度。对于低值,AT切割晶体的灵敏度可以为30ppm/pF。使用较高的负载电容值会降低灵敏度,但会增加振荡启动的难度。CLOAD的温度特性可以改变振荡器的频率与温度响应。
由于石英晶体振荡器容易受到外界因素而影响寿命,所以在使用之前最好先了解相关的储存注意信息和使用规则,正常的情况下,晶振几乎是可以无限使用的,只是每一年都会有一些损耗。因此有些采购会有低损耗的要求,进口晶振可以达到这一要求,金洛鑫电子代理台湾晶振,日本晶振和欧美晶振,咨询或订购请拨打热线电话:0755-27837162。
使用晶体的设计考虑因素:
晶体仅在最终应用中提供频率选择元件。需要外部元件,需要增益级来实现最终所需的时钟信号。通常认为晶体频率范围小于160MHz。高于此频率的晶体需要复杂的电路设计,难以调谐和专门的高频晶体。
频率温度特性:
晶体的频率响应由晶体通过石英晶体谐振器的原子平面切割确定。这导致稳定且可重复的温度响应。该图显示了AT切割晶体的不同切割的频率温度响应。每条曲线的弧度不同2分钟。CLOAD温度系数可以将此响应改变许多分钟.CLOAD值和电容对于振荡器满足所需特性至关重要。放大器的CSTRAY和放大器相移与温度的关系都会影响频率温度特性。
频率vs.切割晶体的温度函数,每条曲线是通过石英晶体的原子平面切割的2分钟弧度的变化。
水晶驱动水平:振荡器电路在晶体的谐振处产生AC电流。此AC电流或驱动电平必须低于临界值或晶振可能被损坏。过大的电流会导致晶体运动超过弹性极限并发生断裂。XY切割(音叉)32.768KHz手表晶体必须限制在约5μA或更小,否则晶体的尖齿会断裂。>1MHz的晶振通常是AT切割晶体。这些器件可以承受较宽的驱动电平范围。在达到毫瓦驱动水平之前不会发生断裂。在较高的μW驱动器范围内可能会发生老化。过度驱动晶体可以激发不需要的振动模式。这些可能导致在不同的窄温度范围内出现严重的频率跳变。
增益阶段:
需要提供CMOS或BJT增益级,有许多可接受的配置。该级的输入和输出阻抗会影响电路Q.放大器噪声电平会影响相位噪声和抖动。这个阶段在有源增益区域的偏置对于振荡器启动至关重要。此外,此阶段的带宽会影响启动特性。如果Oscillator电路要在泛音上操作晶体,则在放大器电路中需要频率选择器件以确保电路仅在所需的晶体谐波处具有所需的增益和相移。
指定晶体和进行检查:
石英谐振器有许多参数应该指定,以确保接收满足最终应用要求的器件。
•频率
•校准,设定点为25°C
•CLOAD
•稳定性,频率与温度的关系,参考温度为25°C
•工作温度范围
•Cl的最大ESR,晶体谐振电阻
•C0范围,引脚对引脚电容
•LMOTIONAL或CMOTIONAL,设定晶体的可拉性
•驱动器级别
•频率和电阻的驱动电平相关性(DLD)
•老化
•绝缘电阻
还有其他规格,例如每°C允许的最大频率变化,或平滑曲线允许的最大频率响应(扰动控制)。
进货检验或测试需要专门的设备:
•晶体阻抗计(CI仪表)
•带有特殊测试夹具和软件的网络分析仪
PWB/PCB布局:
电路板布局对于实现最佳性能至关重要。以下是一些注意事项:
•引线长度必须尽可能短。
•晶振引线具有高阻抗,对噪声非常敏感。
•电容器和晶体封装的接地节点不得涉及噪声源的循环电流。
•如果引线上的泄漏路径低于500K欧姆,这可能会影响振荡器启动,并且还会将频率移动几个ppm。当晶体用于设置最终用户提供的振荡器的频率时,必须进行许多考虑和设计参数以确保最佳性能。
CLOADVALUE:
在大多数情况下,晶体以电抗负载运行。这允许调整最终应用中的最终频率。通常需要这样来校正晶体的频率变化与时间的关系。CLOAD值确定频率与负载电容的灵敏度。对于低值,AT切割晶体的灵敏度可以为30ppm/pF。使用较高的负载电容值会降低灵敏度,但会增加振荡启动的难度。CLOAD的温度特性可以改变振荡器的频率与温度响应。
由于石英晶体振荡器容易受到外界因素而影响寿命,所以在使用之前最好先了解相关的储存注意信息和使用规则,正常的情况下,晶振几乎是可以无限使用的,只是每一年都会有一些损耗。因此有些采购会有低损耗的要求,进口晶振可以达到这一要求,金洛鑫电子代理台湾晶振,日本晶振和欧美晶振,咨询或订购请拨打热线电话:0755-27837162。
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