欧美品牌EUROQUARTZ振荡器电路技术特别篇
　　去年金洛鑫电子官网上线了许多新品牌,主要都是来自欧洲,美国,日本和韩国等地,Euroquartz晶振是知名度比较大的一家欧美晶振品牌,比起其他厂家成立的时间不算很长,但在整个欧美电子市场上,有一定的份量.最大的原因就是EUROQUARTZ公司拥有自己独特的技术,可以提高产品的质量,并且有效的降低成本,其晶体振荡器电路技术,在行业里是得到认可的先进.详情请看以下内容.
　　如果您是主要从事数字设备工作的工程师,那么这些说明应该使您重新熟悉一些模拟理论.这种处理是非数学的,着重于电路设计的实际方面.各种振荡器的设计表明,只需稍作试验就可以轻松修改以满足您的要求.如果您希望对该主题进行更”深入”的处理,则附录包含公式和进一步阅读的列表.
串联还是并联?
　　关于特定电路装置是否需要并联或串联谐振晶体常常会造成混淆.为了澄清这一点,考虑晶体等效电路和晶体制造商校准晶体产品的方法是很有用的.(一些近似公式在附录中给出.)“串联”和”平行”晶体之间没有内在的区别.仅仅是它们在校准频率下对外部电路的阻抗问题.晶体表现出两个非常接近的主共振,并且在共振时呈现出电阻性.串联谐振是低频,低电阻谐振;并联或反谐振是高电阻谐振.在实践中,您始终将振荡频率位于两个共振之间的晶振视为平行共振.

晶体等效电路

　　在上面的晶体等效电路中,L1,C1和R1是晶体运动参数,C0是晶体电极之间的电容,以及由于其安装和引出布置而引起的电容.由于在A处施加了可变频率的恒定电压源的结果,流入B处的负载的电流如下图所示.
　　在低频下,晶体运动臂的阻抗极高,并且电流仅由于C0的电抗降低而随频率增加而上升.L1与C1谐振时达到频率fr,电流急剧上升,仅受串联的RL和晶体运动电阻R1限制.在仅稍高的频率下,运动臂会表现出增加的净感抗,该感抗与fa处的C0发生谐振,导致电流降至非常低的值.fr和fa之间的差异取决于fr和C1与C0的比值.在更高的频率下,不管其他晶体振动模式如何,电流都会恢复到仅由C0引起的电流.
　　在两个谐振频率下,晶体”看起来”像一个电阻,施加的电压和产生的负载电流同相.实际上,由于等效电路中R1和C0的相对位置,实际情况并非如此.零相频率与最大和最小传输频率并不完全相同,但是在低于100MHz的频率下,C0的电抗比R1高,可以认为是这样.任何石英晶体振荡器的确切频率都取决于其内电压和电流的相对相位,而不仅仅是印在晶体罐上的频率.为了在所需频率下发生振荡,必须在该频率上存在正反馈或零环路相移.
网络转型
　　大多数晶体振荡器的设计目的是使晶体在电阻呈fr的fr或fr与fa之间的频率工作;让我们称此频率为fL,在该频率下晶体呈现感应性.在这种情况下,连续的网络转换(请参见上一页的电路)使您可以将晶振电路减少到只有两个分量:净电感和等效等效并联或串联电阻.

　　由于(Q)非常高,因此感抗与电阻之比很高,因此在(b)到(c)以及(d)到(e)的变换中,我们可以保持相同的电感值.我们可以说,”出于所有目的和目的”,与晶体并联放置的负载电容器CL会以与晶体串联的相同频率(fL)与晶体谐振.因此,当我们留下高电阻值(EPR)或低电阻值(ESR)时,该频率下的负载电流将与施加的电压同相.
晶体校准
　　为了使我们作为晶体制造商能够正确地校准晶体,我们需要知道您的电路在fr和fa之间的哪个点会使晶体振荡.如果您的频率为fr,则相关性没有问题;我们只需调整晶体,使最接近最大传输频率的零相移频率在指定的容差范围内.对于晶体必须具有感性的振荡器,我们需要知道振荡器电路将向晶体提供什么样的有效负载电容.在这种情况下,步骤相同,只是晶体和该值电容器的串联组合单独代替了晶体.所有这种类型的实用振荡器电路,即使只”杂散”,也会增加晶体电容,出于多种原因,建议将其提高到18pF,20pF或30pF的工业标准值之一.

　　在具有低阻抗正反馈路径的调谐振荡器中,该路径可以由非电感可变电阻器或晶体来完成,如果振荡器被调整为使得其振荡频率和振幅对于两个路径都是相同的,则晶体将作为其零相频率Fr振荡,并且可变电阻器的值将等于晶体等效电路中的R1值.类似地,如果校准的”负载”电容与晶体串联,振荡将发生在前线,可变电阻将等于晶体的ESR.实际上,由于晶体和可变电容连接点处不可避免的杂散电容导致的误差,通常会计算而不是测量ESR数字.

晶体阻抗仪

　　在常规电桥中测量C0之后,可以将值分配给L1,C1和EPR.这是上面的晶体阻抗计的基础.大约60MHz以上的晶体C0会引起非晶体控制的振荡.实际上,如果电抗小于R1值的一半,则不存在零相条件.因此,在非常高的频率下,C0通常被平衡或调出,fL读数变得毫无意义.可替代地,最大传输频率(fM)可以通过其他方式测量.
相位零测量系统
　　IEC已采用了零位相位测量系统(PZMS).在该系统中,晶体被制成低阻抗pi网络衰减器的串联臂,其输入由频率合成器驱动,而输出则被电阻端接.pi网络的每一端都连接到矢量电压表的探针,该电压表的AFC输出控制合成器的频率,以便如果晶体具有串联的负载电容器,则系统会自动锁定到晶体fr或fL.计算网络损耗的等效电阻.PZMS具有很高的准确性和可重复性,并在晶体制造中提供了其他重要优势.
振荡条件振荡器相移
　　任何振荡器,无论是RC,LC还是晶体控制振荡器,都需要满足两个条件才能以所需的频率工作.在该频率下,其环路增益必须大于1,并且环路相移必须为零(2n弧度,其中n=0或一个整数).
实际上,振荡器可以分为两组:
　　1.)同相维持放大器.
　　反馈网络必须在工作频率上提供零相移.
　　2.)反相维护放大器.
　　反馈网络必须提供π弧度.

放大器反馈网络

　　由于晶体在其串联谐振频率fr处显示出零相移,因此它本身就可以充当反馈组件.(上面的1.).只要放大器具有足够的增益来克服由于其输入和输出电阻以及晶体R1充当分压器而引起的损耗,电路就会在fr处振荡.
　　如果将与校准晶体的负载电容相等的电容器与晶体串联放置,则也可以使电路在负载或并联谐振频率下振荡.如果是微调器,则额外的电容器可提供一种方便的方式来调节有源晶振频率,并可用于调整晶体校准容差.但是,由于晶振的ESR略高于R1(取决于CL和C0),因此需要更多的放大器增益.
　　实际上,不存在没有多余相移的”完美放大器”.某些同相放大器,特别是微处理器时钟和采用级联逻辑电路的放大器,在工作频率下可能会出现明显的滞后相移.更糟糕的是,在某些电路中,由于这些放大器中存在许多非线性有源级,因此在整个工作周期中,滞后不是恒定的.结果是差的短期稳定性或抖动.

振荡器相移

　　在晶体看来,放大器内恒定的滞后相移表现为电感Leq,如(1)所示.)与完美的放大器串联.为了实现振荡,电路必须提供容抗以抵消该电感;这意味着,它必须以低于fr的频率振荡.危险在于,由于与晶体C0谐振的电感以及与之并联的任何”漂移”,可能会发生非晶体控制的振荡.为了将晶体拉回到fr,可以通过串联电容CL来消除Leq,如图(2)所示.)上面.在这种情况下,必须认识到,由于晶体还是电阻性的,C1不是晶体负载电容.
相转化

　　以上电路显示了产生进一步相位反转所需的反馈网络.对于弧度的相移,网络的要求是两个串联电抗的总和(不必相等)可以抵消第三个电抗.当两个臂共振时会发生这种情况.图(1)表示被称为Pierce振荡器的结构及其关系,即Colpitts和Clapp.图(2.)代表Hartley和Miller.
　　由于已经对平行谐振晶体进行了校准,以在其显着频率下提供感抗,因此可以代替上述正感之一.只要出现在谐振器上的总电容(包括由于放大器和杂散引起的总电容)等于其振荡产生的负载电容,电路就将在频率上工作.电容器之一可以是微调器,以实现微调.与同相配置相比,该放大器可能是更完美的放大器,因为仅需使用一个有源级.
阻抗反相振荡器
　　上面的电路(1.)的一种变体是阻抗反相振荡器.使用Pierce或Colpitts电路,而不是让晶体抵消振荡器的电抗,应在晶体上串联一个电感.这种布置通常用于使用泛音晶体的振荡器中,以提供选择性,从而降低不必要模式的可能性,并且还允许使用串联校准的晶体.(在非常高的频率下这是强制性的.)但是请注意,振荡不会通过晶体C0发生.如果将晶体拉高至fr,则可能发生这种情况.

典型的振荡器电路

巴特勒振荡器
　　巴特勒振荡器的维持放大器由一个调出的同相接地基极级和一个射极跟随器组成,后者也是同相的.暂时用低阻值的电阻代替晶体将引起振荡,该振荡由接地基极的集电极中的LC储罐控制.如果电容器CC只是一个隔直电容器,并且自由运行频率与晶体fr一致,则振荡将被控制在fr附近.与在晶体阻抗计中一样,对于并联校准的晶体,CC可以等于晶体负载电容.
巴特勒振荡器的用途
　　作为调谐振荡器,巴特勒可用于高达100MHz的泛音晶体工作.但是,由于振荡可能会通过晶体C0发生,因此建议使用一个较小的并联电感器来消除这种振荡.如果在振荡电路的振荡电路中放一个低阻抗抽头,则可以省去发射极跟随器.电路随后变为接地振荡器.要使用基本模式晶体工作,可以用一个电阻器代替LC储罐.

皮尔斯和科尔皮特振荡器
　　Pierce和Colpitts振荡器的电路布置相似.电容器Ca和Cb与来自反馈网络的晶体一起分别连接在相同的晶体管电极之间.两个振荡器的设计方程式相同,只是在哪个晶体管电极接地方面有所不同.
　　皮尔斯振荡器的优点是晶体管偏置电阻链仅使Ca分流.在Colpitts中,Ca和Cb串联分流,其总电抗比单独的Ca大.当您更有效地分流晶体EPR时,这会对电路Q产生更大的影响.对于相同的振荡幅度,将需要更高的晶体管电流,并且短期稳定性会受到更大的影响.可以使用FET来克服此问题,但是FET的温度稳定性不高,并且需要比双极型器件更高的工作电流.
　　两个电容器Ca或Cb之一可以用微调器代替,但是由于它们的串联组合可能高于晶体负载电容的正常值,因此更常见的是将微调器与晶体串联.Pierce和Colpitts振荡器的优势在于,由于Ca和Cb与晶体管动态电容并联,因此,它们越大,沼泽效应越大,振荡器的稳定性也越好.
增益和驱动水平
　　为确保在错误的晶振模式下不受寄生或振荡的影响,建议确保环路增益恰好足以确保在最坏情况下的令人满意的工作.晶体在其活动极限时的振荡所需的增益裕度极限只有2到3倍就足够了.
驱动等级
　　低频晶体,尤其是微型晶体,很容易因过度驱动而损坏,如果VHF晶体未在校准时的驱动电平的至少一个数量级内运行,则它们可能会出现明显的频移.如果需要高度的稳定性,建议不要超过制造商建议的最大驱动器级别.精确的频率标准通常会在一个1毫瓦以下的频率下运行高频晶体,通过AGC电路而不是有源器件本身的限制作用将其保持在该水平.
　　如果可能的话,在考虑下一级需求之前,应对电路的稳定性,增益和驱动电平进行优化.只要考虑阻抗水平,就可以从电路的各个部分提取信号.振荡器电路的过大负载将影响稳定性和增益裕度.
150kHz以下的实用电路
　　构成同相放大器的两个接地发射极晶体管提供了必要的增益,以保证在这些频率下晶体的低活动性时产生振荡.L1和C2振荡电路应进行调整以实现最大输出,从而提供一定的选择性并防止在错误的石英晶振模式下产生振荡.二极管D1和D2将晶体驱动器限制在标准晶体的安全水平.为了进行精细的频率调整,Cc可以是微调器,其中间值应近似等于平行校准晶体的负载电容.

　　构成同相放大器的两个接地发射极晶体管提供了必要的增益,以保证在这些频率下晶体的低活动性时产生振荡.L1和C2振荡电路应进行调整以实现最大输出,从而提供一定的选择性并防止在错误的晶振模式下产生振荡.二极管D1和D2将晶体驱动器限制在标准晶体的安全水平.为了进行精细的频率调整,Cc可以是微调器,其中间值应近似等于平行校准晶体的负载电容.
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