原创 陶瓷谐振器振荡电路配置注意事项

2021-12-7 18:03 403 5 5 分类: 消费电子 文集: 技术

在智能终端(AIoT)、计算机和通信系统中,陶瓷谐振器(Ceramic Resonator)和石英晶体谐振器(Quartz Crystal,XTAL)可以说得上是”兄弟俩“。两者都是产生频率信号的无源元件,在性能和应用上也有很多相似之处,一个作为计时元件,一个用作时钟基准。


陶瓷谐振器 vs XTAL

虽然有些晶振从业者对陶瓷谐振器不屑一顾,但却不能忽视和低估陶瓷谐振器的应用价值和发展潜力。


图1.陶瓷谐振器和石英晶振(XTAL)是”兄弟俩“


(1)电路符号相同。电子电路原理图中,两者的电路符号是一样的,都是“电极+起振器”的三明治形式。

(2)起振原理相同。两者都基于压电效应,即振子(石英晶片、陶瓷极化片)两极外加电压后会产生变形,反过来外力使振子变形后两金属片上又会产生电压。如果给压电振子加上适当的交变电压,就会产生谐振,成为振荡器电路的振源。

(3)用途领域相同。陶瓷谐振器和XTAL晶振都是频率元件,主要用作振荡电路的起振元件,应用于智能终端、物联网设备、通信设备和汽车电子等领域。由于陶瓷谐振器和XTAL的“芯”不同,两种材料的不同天然属性、加工工艺决定了它们性能上的必然差异。虽然陶瓷谐振器频率精度、频率稳定性不如XTAL晶振,但也具有如下明显优势:

(1)起动较快,可用于汽车CAN(控制器局域网络)总线等低延迟应用。

(2)温度范围宽,工作温度为-40°C至+125°C,适用于对时序要求不严格的嵌入系统。

(3)尺寸较小,更能承受冲击与振动。

(4)价格只有XTAL晶振的1/3。

振荡电路的配置

在大多数MCU应用中,陶瓷谐振器常作为计时元件,其振荡器电路与石英谐振器类似,主要振荡参数有:反馈电阻器(Rf:)、阻尼电阻器(Rd)、负载电容器(CL1/CL2)、偏置电阻器(Rb)。

图2.采用陶瓷谐振器的振荡器电路


(1)反馈电阻器(Rf:)振荡电路中,反馈电阻器(Rf)主导偏置大小。通常,CMOS集成电路使用的反馈电阻在100KΩ~10MΩ之间(通常为1MΩ)。由于TTL集成电路的I/O阻抗低,对应的反馈电阻在1KΩ~10KΩ之间(通常为4.7KΩ)。目前,大多数集成电路都使用了反馈电阻器,就需要注意外接反馈电阻选择。如果反馈太大,反馈量就会减少,造成工作点不稳定;如果反馈电阻太小,会导致增益减少或电流增加。

(2)阻尼电阻器(Rd)阻尼电阻器和负载电容器可以充当低通滤波器,通过减少高频范围内的增益来抑制异常谐振荡。此外,也可以限制集成电路增益,让CERALOCK更好的与集成电路相匹配,从而来抑制无用振铃、过冲、下冲。在kHz频带内,阻尼电阻应为几千欧,而在MHz频带内,阻尼电阻应在几十欧至几百欧之间。可以任选阻尼电阻器。

(3)负载电容器(CL1/CL2)

(4)(5)对于确定振荡电路的稳定性,此参数至关重要。如果负载电容过小,振荡波形就会变形,导致不稳定振荡。相反,如果负载电容过大,振荡就会停止。与相同集成电路比较,振荡电路会产生较低的频率,需要较大的静电容量。(6)通常,振荡电路要求负载电容量约为3pF至2200pF,用户可选择高精度、高Q值、温度系数接近“0”的的温补型陶瓷电容器。一般情况下,使用总公差为±20%的电容器不会有问题,但必须确定当负载电容变化时谐振器能正常运转。

(4)偏置电阻器(Rb)

如果集成电路增益过大或采用TTL、三相缓冲集成电路,为了减少集成电路增益或抑制不稳定振荡,可以使用偏置电阻器有目的地改变偏置点。C-MOS集成电路使用阻值为1MΩ至10MΩ的偏置电阻器,TTL使用1KΩ至10KΩ的偏置电阻器。

应用注意事项

作为一种高温烧结的压电陶瓷元件,陶瓷谐振器具有较高可靠性,如果发生静噪过高、异常震荡现象,很可能是电路常数不当造成的。

(1)静噪过高?

陶瓷谐振器的两个端子间会产生大电容,噪声一般低于石英晶体。如果噪声问题仍然存在,可以通过改变振荡电路的常数将噪声抑制在特定范围。为此,通常使用三种方法:一是增加负载电容(CL1/CL2)。增加负载电容会增强低通滤波器的效果,从而减小微波噪音。因此,振荡频率也会稍微降低。如果负载电容增加过大,振荡就会停止。其次,增加阻尼电阻器(Rd)。增加阻尼电阻器会进一步增加负载电容,增强低通滤波器的效果,纠正与集成电路的配合,进而抑制反射振铃。此外,此方法可以减少电流消耗,抑制噪音。如果阻尼电阻增加过多,振荡就会停止。第三,在负载电容与地之间安装铁氧体磁珠。安装铁氧体磁珠可以降低微波增益,抑制噪音。如果铁氧体磁珠造成的感应系数或损耗过大,振荡就会停止或发生异常振荡现象。如果上述三种方式也无法解决问题,就要考虑集成电路的影响了,如控制振荡电路的输出,采用专用电路等。

(2)异常振荡

根据不同的电路类型,振荡电路会自动产生异常振荡。为了区别振荡到底来自电路,还是陶瓷谐振器,必须用频率计检查是否存在与寄生振荡模式相同的频率,或通过改变供电电压来检查频率变化是否超过±1%。以下列举了经常出现的异常振荡。

振荡类型原因
CR振荡当集成电路增益很高时,会产生CR振荡。此现象取决于CERALOCK的静电电容 (Cf)、负载电容 (CL) 以及集成电路的内电阻 (R)。如果供电电压发生变化,频率也会不同。
LC振荡当集成电路增益很高时,会产生LC振荡。此现象取决于配线的电导率 (C) 和感应系数 (L)。通常,其振荡频率为10MHz或更高。如果配线发生变化,频率也会不同。
环形振荡环形振荡由多级逆变器集成电路中的时间常数延迟造成。通常,其振荡频率为10MHz或更高。

陶瓷谐振器应用频率范围很广,从低频千赫到中频和高频兆赫兹,不同频率范围需与各种IC配套应用,所以与芯片厂商的配合与支持非常重要。

作者: 硬之城Allchips, 来源:面包板社区

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