市面上常用的Oscillator产品基本上都来源于国外进口,不仅分类众多,规格与参数也时常让人头疼,对于不熟悉频率元件的采购来说,常常不知如何选择合适匹配的晶体振荡器.在此建议可以先咨询工程,如工程也不清楚的,可以向供应商获取相关的产品资料,给工程技术参考对应.Oscillator产品规格书里通常都会备注,该系列适用于哪些产品,因为晶体振荡器制造商在生产之前,都会设计好产品的制造方案,匹配不同的电子或智能产品.
石英晶体是具有压电特性的机械谐振器.压电特性(晶体上的电势与机械变形成比例)允许它们用作电路元件.晶体由于其高品质因数(QF),优异的频率稳定性,严格的公差和相对低的成本而被广泛用作振荡器中的谐振元件.本教程介绍了使用AT切割晶体设计简单晶体振荡器时要解决的主要设计注意事项.描述了晶体振荡器的基本特性以及可能影响其在各种应用中的性能的因素.这里讨论的主题是对ISM频段无线电十年设计和应用中遇到的问题的汇编.这些主题包括负载电容.
水晶模型的基础知识
石英晶体被电模拟为与并联电容并联的串联RLC分支(图1).RLC分支系列(通常称为运动臂)模拟压电耦合到机械石英晶体谐振器.并联电容表示由电极金属化的平行板电容和杂散封装电容两者形成的物理电容.

图1.基模石英晶体的简单电气模型.

图1所示的模型适用于基本模式操作.类似的模型也适用于晶体谐振器的泛音操作.泛音模型包括与图1中所示元件并联的附加串联RLC分支.附加泛音RLC串联分支具有接近基本串联谐振频率的奇数倍的谐振频率.对于工作在基频模式,频率范围为5MHz至30MHz的石英水晶振子,电路元件的典型值为:
C12fF至20fF(动态电容)R110Ω
至150Ω(等效串联电阻,ESR)
L1由C1和工作频率(动态电感)决定
C00.5pF至5pF(并联电容)
其中运动元素是机械共振的电学模拟和晶体的压电性质.ESR模拟机械共振的损失,对于没有外部驱动电压的串联RLC电路,所有电压的总和产生以下微分方程:
L×dI/dt+I×R+(1/C)×∫I×dt=0
根据定义,我可以用dQ/dt替换,产生:
L×d²Q/dt²+R×dQ/dt+Q/C=0
要么
d2Q/dt²+(R/L)×dQ/dt+Q/(L×C)=0
这是形式d2Q/dt²+(ω的0/QF)×DQ/DT+Q×ω02=0.
这产生对RLC电路的公知的结果:自然频率,ω0,是电感和电容的乘积的倒数的平方根.

图2.晶体机械模型.

晶振的力学模型由质量组成;弹簧具有相关的弹簧模量或刚度;以及缓冲模型(图2).施加在晶体上的力,忽略由于重力引起的固定力和空间偏移,导致质量加速(牛顿第二运动定律).在简单线性模型,弹簧力和摩擦力中假设两种力.弹簧力由胡克定律给出,F=K×Y,其中K是弹簧模量,Y是平衡位移.假设摩擦损失与缓冲器中柱塞的速度和缓冲器的摩擦常数D成比例.等同于这些力(没有外部驱动力)给出:
M×d²Y/dt²+D×dY/dt+K×Y=0
要么
d²Y/dt²+(D/M)×dY/dt+Y×(K/M)=0
这是形式d²Y的/dt²+(ω0/QF)×DY/dt的+Y×ω02=0.
由此产生的机械系统固有频率必须等于电气系统的固有频率.这会产生:
ω0=√(1/(L×C)=√(K/M)

图3.立方石英谐振器.顶面和底面上的电极,A=L×W.

在最窄尺寸的相对面上具有电极金属化的立方形或圆柱形石英谐振器的质量与电极面积和电极之间的间隔(即,最窄的尺寸或厚度)的乘积成比例,如图3.
M~A×T.其中A是电极面积,T是厚度.相同立方形石英谐振器的弹簧模量与电极面积和厚度的倒数的乘积成比例.
K~A/T.由此,机械系统的固有频率与电极面积无关,并且与厚度的倒数成反比:
ω0=√(K/M)?√(A/(T×A×T)=√(1/T2)=1/T
在许多可能的晶体谐振器选项中,AT切割晶体因其温度系数特性和制造可重复性而广受欢迎.对于AT切割石英晶振,机械共振是剪切模式,如图4所示.在这种操作模式中,重心垂直和水平移动.因此,前面的分析是一维近似,可用于定性理解AT切割晶体的机械共振.

图4.AT切割厚度,剪切模式共振.

从并联电路的角度来看,晶体的总电阻抗将与电极面积成反比,因为较大的电极面积相当于多个较小的电极面积晶体并联.因此,串联电阻和动态电感将与电极面积成反比;并联电容的运动电容和平行板部分将与电极面积成比例.并联电容和运动电容具有线性关系,因为它们都与未封装晶体的电极面积成比例,通常称为晶体空白.如果封装的寄生并联电容可忽略不计,并且并联电容平行板边缘场可忽略不计,则该关系将成比例.
以下是基于前面分析的设计权衡清单:
较小的晶体电极区域对于较低的成本和可能较小的封装尺寸是有吸引力的.但是,这个较小的区域会增加串联电阻,从而减慢启动时间(参见下面的启动时间部分)并可以防止振荡.较大的晶体电极区域较低的串联电阻.但是,这个较大的区域会增加并联电容,从而降低有源电路的负电阻(参见下面的负电阻部分),这反过来也会减慢启动时间并防止振荡.较大的无源谐振器电极面积增加了运动电容.由于外部电容性负载或频率“拉动”,运动电容越大,对频移的灵敏度越大.
负载电容
许多晶体振荡器在晶体的并联谐振点和施加的负载电容下工作.负载电容定义为晶体封装外部的有效电容,施加在晶体的端子之间,如图5所示.晶体制造商指定给定的负载电容以及操作频率.负载电容与制造商指定的负载电容不同的操作会导致相对于制造商指定频率的振荡频率误差.频率误差是由于晶体的电容“拉”引起的.这可以通过将并联和负载电容并联组合,然后将该总和并联负载电容与运动电容串联组合来形成整体有效电容来证明.
C EFF=C MOTIONAL×(C LOAD+C SHUNT)/(C LOAD+C SHUNT+C MOTIONAL)

图5.负载电容.

电容的总体有效变化非常小,因为运动电容通常比分流和负载电容低约三个数量级.因此,(C LOAD+C SHUNT)/(C LOAD+C SHUNT+C MOTIONAL)几乎为一,并且有效总电容非常接近运动电容的值.请注意,随着负载电容变大,(C LOAD+C SHUNT)/(C LOAD+C SHUNT+C MOTIONAL接近单位,并且负载电容的绝对变化对整体有效电容的影响减弱(较低的频率牵引).以相同的方式,对于任何给定的负载电容,较小的运动电容也降低了频率牵引,因为(C LOAD+C SHUNT)/(C LOAD+C SHUNT+C MOTIONAL)接近于单位.有关典型石英晶体的频率与负载电容(牵引曲线),请参见图6.

图5FF为Ç6.典型牵引曲线运动,3pF的ÇSHUNT,3pF的声明了cLOAD,10MHz的晶体.

负阻力
Pierce或Colpitts拓扑振荡器通常与晶体结合使用以生成时间或频率参考.两种拓扑结构都被称为“三点振荡器”.一般形式如图7和8所示.注意,除了AC接地点之外,两个拓扑中的三个点A,B和C是相同的.

图7.Colpitts振荡器.

图8.皮尔斯振荡器.

虚假模式
不希望的机械共振通常存在于基频附近.这些“寄生模式”可以被建模为与所需基频RLC分支并行的附加串联RLC分支,其方式与建模泛音操作的方式相同.寄生模式比期望模式具有更大的损耗(振荡的机会更小);它们通常不会引起晶体振荡器问题,除非它们损耗非常低或者有源电路非常微弱.通常,晶振厂家测试杂散模式,并且不会在寄生谐振频率下发送具有低损耗(即,更大的振荡机会)的单元.
具有大负电阻的石英水晶振荡子通常在大多数振荡周期期间限制或削减.在限制期间,电路的有效增益几乎为零.因此,寄生模式不具有振荡所需的增益,并且被所需的大信号振荡有效地阻塞.在具有较低负电阻的一些情况下或具有软限制的电路中,在整个期望的振荡周期期间存在足够的增益以支持二次不期望的振荡.由此产生的多次振荡共存会对PLL和其他电路中的相位频率检测器造成严重破坏.本文介绍了简单晶体振荡器的主要设计注意事项.与其他类型的无线电系统相关的主题,例如晶体振荡器电路的相位噪声,不是ISM无线电的限制因素,因此不予讨论.

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此文关键字： Oscillator设计晶体振荡器基础知识 AT切割石英振荡子

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