石英晶體振蕩器因極具高的性能,可靠性等特點(diǎn),被廣泛使用在各種不同行業(yè)領(lǐng)域中.同步數(shù)字系統(tǒng)的出現(xiàn),令不起眼的振蕩器成為基于微處理器的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的核心.振蕩器的數(shù)千種應(yīng)用創(chuàng)造了極其廣泛的振蕩器源及配置,并且采用流形諧振器結(jié)構(gòu).

盡管如此,由于諧振器和內(nèi)部放大器種類繁多,若干種溫度穩(wěn)定方案也不相同,因此在選擇OSC晶振時往往忽視了對其用途的充分了解.所有這些因素都會影響器件的尺寸,精度,穩(wěn)定性和成本,以及它們在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式.本文將幫助設(shè)計(jì)人員更好地了解振蕩器的操作和結(jié)構(gòu),關(guān)鍵規(guī)格,以及如何與設(shè)計(jì)要求相匹配.同時會探討輸出波形,頻率精度和穩(wěn)定性,相位噪聲,抖動,負(fù)載和溫度變化以及成本,還有如何以最佳方式使用振蕩器來獲得設(shè)計(jì)成功.

振蕩器基礎(chǔ)知識

石英晶體振蕩器是一種電子電路,能夠以需要的頻率產(chǎn)生周期波形.通用振蕩器的功能框圖包含一個放大器,以及一個帶有頻率選擇性反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋路徑(圖1).如果回路增益在所需的振蕩頻率下等于或大于1,同時回路的相移等于2p弧度的倍數(shù),則可以啟動并維持振蕩.這是一種正反饋條件.

頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以是電感電容(LC)網(wǎng)絡(luò),或是電阻電容(RC)網(wǎng)絡(luò),但精密振蕩器通常需要采用諧振器.諧振器選型是需要處理的規(guī)格之一,因?yàn)槊糠N諧振器都有自身的優(yōu)缺點(diǎn).

圖1:基本振蕩器的功能示意圖由一個放大器及一個頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)或諧振器組成(采用正反饋配置).

常用的諧振器包括石英晶振,表面聲波(SAW)濾波器或微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS).

當(dāng)這樣的振蕩器首次上電時,電路中的唯一信號就是噪聲.在滿足振蕩增益和相位狀態(tài)的頻率下,噪聲元素會圍繞電路環(huán)路循環(huán),而且振幅會因電路的正反饋而逐漸增加.信號振幅會持續(xù)增加,直至因放大器特性或外部自動增益控制(AGC)單元而受到限制為止.此時可以控制振蕩器輸出的波形,常見的波形選擇包括正弦波,削頂正弦波或邏輯("0"或"1")輸出.如果選擇邏輯輸出,則還必須選擇邏輯系列(HCMOS,TTL,ECL,LVDS…).

正弦輸出主要用于通信相關(guān)應(yīng)用中的載波和本地振蕩器信號生成,在這些應(yīng)用中頻譜純度是關(guān)鍵考慮因素.正弦波形僅在基本頻率下才具有明顯功率,在諧波頻率下幾乎沒有功率.

OSC晶振的關(guān)鍵規(guī)格是頻率穩(wěn)定性,該參數(shù)定義了普通有源晶振保持頻率的程度.相關(guān)的規(guī)格包括老化率,該參數(shù)具體說明了振蕩器頻率在相當(dāng)長的時間間隔(通常是一年)內(nèi)的漂移情況.隨著應(yīng)用速度的提高,振蕩器相位的短期變化已經(jīng)成為一個重要問題.這種短期的相位變化稱為振蕩器的相位噪聲.相位噪聲是一種頻域規(guī)格.等效時域規(guī)格包括相位抖動或時間間隔誤差.

諧振器

在基本振蕩器中,反饋網(wǎng)絡(luò)可以是幾種諧振結(jié)構(gòu)中的任何一種.最常見的是壓電石英晶體.石英晶體諧振器使用壓電效應(yīng).施加在晶體上的小電壓導(dǎo)致晶體變形,而施加在晶體上的力則會產(chǎn)生電荷.這一系列的機(jī)電互換形成了非常穩(wěn)定的振蕩器的基礎(chǔ).這種效應(yīng)會在特定頻率下產(chǎn)生振蕩,而該頻率與晶體類型,切割晶體的幾何方向及晶體尺寸有關(guān).

晶體固定在兩個電極之間,從而形成晶體諧振器的輸入和輸出.在這些條件下,晶體就像一個高選擇性LC電路(圖2).可以觀察到,固定座中的晶體可由一個串聯(lián)RLC電路表示,這表明晶體的串聯(lián)諧振頻率由模型分量L_S和C_S控制.并聯(lián)電容器代表固定座和相關(guān)接線的電容.并聯(lián)電容C_P與串聯(lián)電感L_S反應(yīng),產(chǎn)生并聯(lián)諧振頻率.在運(yùn)行過程中,串聯(lián)諧振可控制諧振器運(yùn)行.晶體的基頻范圍為千赫茲(kHz)32.768K到約200兆赫茲(MHz).

圖2:石英晶體的等效電路模型.模型分量L_S和C_S可確定串聯(lián)諧振頻率,而L_S,C_S和C_P用于確定并聯(lián)諧振.(另一種常用諧振器是表面聲波(SAW)諧振器(圖3).

圖3:SAW濾波器/諧振器使用安裝在壓電基底上的叉指式換能器,在換能器之間的間隙產(chǎn)生表面聲波,從而在輸出端產(chǎn)生頻率相關(guān)的響應(yīng).

SAW濾波器是一種頻率選擇性器件,該器件使用沿彈性基底表面?zhèn)鞑サ谋砻媛暡?/span>.如圖所示,利用基底上的導(dǎo)電通路所形成的叉指式換能器(IDT)生成并檢測SAW.SAW濾波器/諧振器的工作頻率范圍為10MHz至2GHz.頻率取決于IDT元件的尺寸和基板材料的特性.SAW器件的電路模型與石英晶體的模型相似.SAW諧振器的制造成本低廉,可使用光刻法在小型封裝中制造.這些振蕩器稱為SAW振蕩器(簡稱“SO”).

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