DIODES晶体振荡器:为数字电子带来同步

在家里或工作中遇到的大多数电子系统将包括至少一个振荡器，该振荡器作为时钟工作，提供精确的定时、同步操作或作为频率参考。在这里，我们将了解使用石英晶体振荡器的诸多好处，并讨论可用的选择。

在基于微处理器的系统中有许多不同的时钟信号，用于执行指令、传送外部通信接口以及将数据移入和移出存储器。

虽然简单的嵌入式控制器的时钟频率可能在几兆赫左右，但PC的时钟频率通常预计为15兆赫，然后在内倍增，为CPU和其他子系统提供时钟。系统中的其他组件可能有自己的时钟要求，例如以太网控制器的25MHz时钟或实时时钟(RTC)所需的32.768kHz时钟。

此外，精确的频率参考是射频(RF)系统的先决条件，以便促进端到端通信，并确保滤除不受欢迎的噪声和信号。

主要振荡器特性

根据应用的性质，除了提供特定的频率，贴片振荡器可能还需要满足更多的需求。例如，一些应用需要精确定义的频率，这对于需要通过无线或串行接口与其它设备通信的系统尤为重要。像这样的精度通常以百万分之一(ppm)来衡量。

低功耗在电池供电的设备或手持设备中至关重要，对于处于持续活动状态的RTC尤其如此，即使在待机和低功耗模式下也是如此。

最后，需要确定成本、外形和操作环境等因素。

音高辨别力

除了放大和反馈，每个振荡器都采用一种谐振或调谐电路，以产生特定频率的输出。

调谐电路可以建立在电感-电容(LC)或电阻-电容(RC)网络上，这两种网络都是简单的组件，允许在很宽的范围内改变频率。然而，创建精确的LC或RC振荡器需要使用昂贵的精密元件；即便如此，它们也不总是能满足大多数应用所需的最高精度和稳定性。

晶体谐振器由石英制成，其极高的物理稳定性使其成为谐振元件的首选。它被切割成两个平行的面，上面有金属触点。石英显示压电效应，这意味着当置于压力下时，表面上会产生电压。同样，外加电压会使晶体在剪切运动中改变形状。

此外，反馈使晶体以其自然共振频率振荡，这是由石英晶振的大小和切割方式决定的。最常见的切割形式称为AT，可以在很宽的频率范围内使用，并表现出良好的热稳定性。

晶体谐振器具有非常高的品质因数(Q ),表现出高度精确和极其稳定的频率，这意味着它们可以用作非常精确、低成本振荡器的基础产品。

晶体结构和相应的电路

晶体谐振器及其相应电路的结构如图1所示，其中Cp值表示两个平行电极的电容。分量Rs、Ls和Cs代表晶体的内部摩擦、质量和弹性的机械特性。

相应的电路表明有两种可能的谐振频率:一种是由于Ls和Cs的串联，另一种是Cp与电感并联。该串联谐振由下式定义:

串联谐振公式

并联谐振频率表示为:

并联谐振频率公式

这两个频率通常相差不到1%，由振荡器电路决定采用哪种谐振模式。在这种情况下，大多数振荡器采用并行模式。

对于高于75MHz的更高频率，晶体能够以基频或泛音的倍数振荡。

振荡器电路

振荡器电路通常被结合到需要参考时钟信号的设备中。例如，许多微控制器和类似的应用都包含两个引脚，您可以直接将晶体产品连接到这两个引脚，再加上一对陶瓷电容来完成振荡电路。

振荡器元件和杂散电容

电路的总负载电容(CL)必须满足晶振的额定CL。这包括陶瓷电容以及晶体封装、石英晶体振荡器输入引脚和电路板走线产生的杂散电容。

由于精确计算电路中的杂散电容和寄生电容相当棘手，因此可以尝试从估算值(通常约为4 pf至6pF)开始，然后测量输出频率，以确定电容值是否需要调整。

然而，如果总CL大于指定CL，则振荡频率将降低。同样，当CL太低时，频率会更高；如果CL在任一方向上离得太远，那么振荡器可能根本不会启动。

图3。振荡器电路

上图显示了使用晶体管或反相逻辑门作为反馈放大器构建的外部振荡器电路。由于设计高质量振荡器是一项艰巨的挑战，即使大多数晶体零售商提供设计指南，购买现成的振荡器模块可能更容易。这种振荡器模块包括一个晶体和所需的所有元件，包括负载电容，保证您获得一个高性价比、高性能的振荡器。你所要做的就是提供合适的电源。

图4。晶体振荡器模块

晶体振荡器模块是无线通信系统或以太网接口等要求精确可靠频率的应用的理想选择。二极管公司生产各种尺寸和ppm精度的晶体振荡器产品，以适应不同的应用。

主题变奏曲

外部CL的频率会波动，这一事实为构建输出可在小范围内微调的晶体振荡器提供了可能性。这在射频应用中非常方便，因为接收机必须微调自己的频率以适应接收信号。

压控晶体振荡器(VCXOs)采用称为变容二极管(或变容二极管)的器件作为负载电容。变容二极管的电容随着施加的控制电压而改变，该控制电压随后改变振荡频率。

VCXO的主要限制是“可拉性”、时钟抖动和控制电压范围:

• “可拉性”概述了控制电压任何给定变化的频率变化；较大的值表示振荡器可以在较大的范围内工作，而较小的值导致更好的稳定性和降低的相位噪声。最大调谐范围通常在+/-200ppm左右。
• 时钟抖动发生在高于固定频率晶体振荡器的频率，尤其是在其极限工作的调谐范围的外部极限。
• 控制电压通常从0V到2v或3V。

当您需要比普通晶体振荡器在工作温度范围内更高的稳定性(例如小于10ppm)时，您需要选择温度补偿晶体振荡器(TCXO)。像前面提到的标准振荡器模块一样，这些也是现成的模块，参数范围很广。

TCXO包含一个电路，该电路能够测量环境温度，然后产生一个控制电压来修改VCXO有源晶振的频率，以便抵消温度变化的影响。TCXO从晶体的温度-频率响应曲线计算所需的控制电压。

此外，TCXO模块通常包含自己的电压调节器，保护振荡器免受外部电源电压变化的影响。