原创 晶体振荡器的基本工作原理 晶体振荡器的作用是什么

2022-8-17 15:56 176 0 分类: MCU/ 嵌入式

晶振也就是晶振振荡器,是一种利用晶体作为频率选择元件来获得逆压电效应的电子振荡器。它利用具有压电特性的振动晶体的机械共振,以获得具有高精度频率的电信号。晶体振荡器被认为优于陶瓷谐振器,因为它们具有更高的稳定性、更高的质量、更低的成本和更小的尺寸。下面主要对晶体振荡器相关技术术语简要介绍,供大家参考。 

1.共振频率

在晶体谐振器的共振特性中,共振频率是两点阻抗变为电阻时的较低频率点。

图. 晶体谐振器共振特性

图. 晶体谐振器共振特性

阻抗Z变为电阻元件时,两点之间的频率。在这两点上,相为0。其中频率较低的点称为共振频率。另外一个点称为反共振频率。

共振频率

2.等效电路

下图所示的是由电阻、电感和电容组成的晶体谐振器的共振特性。R1在等效电路中称为等效串联电阻,是晶体谐振器的重要特性。

等效电路

3.等效串联电阻 (R1)

晶体谐振器等效电路串联支路中的电阻。

4.负载电容 (Cs)

让晶体谐振器具有负载共振频率的电容。在实际振荡电路中,连接晶体谐振器的实际电容是由外部负载电容、IC杂散和PCB等产生的。也可用下述公式进行计算:

负载电容 (Cs)

5.负载共振频率 (fL)

负载共振频率是晶体谐振器中负载电容串联的共振频率,这一频率比共振频率高。由于实际值与晶体谐振器规范中额定值之间的电容差,所以实际和额定振荡频率间存在频差。

也可用下述公式进行计算:

负载共振频率 (fL)

6.拉敏性

上面的图显示了负载电容变化产生的负载共振频率 (fL) 偏移。此图中每个点的斜率就是拉敏性。参见下面的图。在负载电容为6pF时,拉敏性是-17ppm/pF。(负载电容变化1pF时,频移为17ppm)。也可用下述公式进行计算:

拉敏性

7.导纳圆

下图是在导纳平面坐标 (电导—电纳) 上绘制的晶体谐振器共振特征。由于画成了圆形,因此称为导纳圆。在频率低于共振频率时,导纳靠近原点。在频率增加时,导纳按顺时针方向画圆。

导纳圆

8.振荡裕量

即振荡停止的裕量,这也是振荡电路中zui重要的术语。振荡裕量取决于组成振荡电路的元件 (晶体谐振器、MCU、电容器以及电阻器) 。村田推荐维持5倍或更大的振荡裕量。更详细内容请关注本系列讲座第二讲。

9.负阻 (-R)

负阻是用阻抗表示的振荡电路信号放大能力。由于其作用与电阻相反,所以是负值。负阻较高值小说明振荡电路的放大能力低。振荡电路中的负阻取决于CMOS逆变器的特性、反馈电阻、阻尼电阻和外部负载电容。

负阻 (-R)

10.驱动功率

驱动功率是指振荡电路中晶体谐振器的功耗。它不仅取决于晶体谐振器的等效串联电阻,还取决于组成振荡电路的元件 (MCU、电容和电阻) 。在驱动功率超额时,频率—时间性能会出现不正常特性。在设计振荡电路时,zui好检查一下驱动功率。

11.C-MOS逆变器

C-MOS是互补MOS,组成了相互连接的p和n型MOSFET。在下图中起到逆变器 (逻辑逆变电路NOT) 的作用。

C-MOS逆变器


12.振荡电路

在装有C-MOS逆变器或晶体管的放大电路中,所谓的“振荡电路”就是将输出连接到输入,以便持续放大反馈。只有通过晶体谐振器反馈才能选择并放大共振频率的信号。

振荡电路

13.其它术语

电路匹配

构成电路的元件 (C-MOS逆变器、晶体谐振器、电阻和外部负载电容) 组合,会改变振荡特性。因此,必须组成适当的电容组合,以获得强大的振荡电路。这种检查和调整也称为电路匹配。

标称频率

标称频率是指晶体谐振器生产商指定的晶体谐振器频率。必须要知道的是,由于MCU、PCB和外部负载电容的不同,实际振荡频率会偏离标称频率。

频率容限

是指操作环境中振荡频率超大允许偏差的频率范围。通常根据标称频率用ppm表示。

反馈电阻

在振荡电路中,反馈电阻与C-MOS逆变器并联连接。它可能集成在MCU上。它的作用是平衡逆变器I/O间的DC电压,而逆变器将起到放大器的作用。在反馈电阻没有集成在MCU上时,非常好使用1Mohm作为外部反馈电阻。

阻尼电阻

阻尼电阻用于振荡电路中C-MOS逆变器的输出端。其作用是减小振荡幅度,以降低降低功率。另一方面,必须注意振荡裕量,因为超额的阻尼电阻会引起振荡停止。通常阻尼电阻的使用范围是从0到2kΩ,它取决于MCU的特性。

外部负载电容

外部负载电容用于振荡电路接地逆变器的输入端和输出端。它是直接影响负阻和振荡频率的重要元件。这些电容在CERALOCK中称为“负载电容器”。另一方面,在晶体谐振器中,将其称为“外部负载电容”,以区别于负载电容“Cs”。通常将两个相同的电容用作外部负载电容。5到10pF作为外部负载电容是很适合的,这将取决于MCU的特性和安装基板的寄生电容。

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