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石英晶體振蕩器是一種產(chǎn)生重復(fù)或周期性時(shí)變信號(hào)的電子電路.在微控制器系列1或無(wú)線SoC系列1設(shè)備,該振蕩器信號(hào)用于對(duì)設(shè)備中指令和外設(shè)的執(zhí)行進(jìn)行時(shí)鐘控制.收音機(jī)通信振蕩器還為轉(zhuǎn)換器提供精確的低噪聲頻率參考.有多種方式產(chǎn)生這樣一個(gè)信號(hào),每個(gè)信號(hào)具有影響工程成本,電路板尺寸和時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)定性的不同特性.
RC振蕩器
RC振蕩器由電阻,電容和反相放大器構(gòu)成.它們成本低,啟動(dòng)時(shí)間短,但是通常不太精確并且產(chǎn)生更多的噪聲.單片機(jī)系列1或無(wú)線SoC系列1設(shè)備提供多個(gè)內(nèi)部諧振電路,包括一個(gè)高頻諧振電路和一個(gè)低頻諧振電路lator(LFRCO).雖然內(nèi)部RC振蕩器將確保微控制器系列1或無(wú)線SoC系列1設(shè)備的正常工作,它們不適用于無(wú)線電通信等應(yīng)用.
晶體振蕩器
晶體振蕩器利用晶體的機(jī)械振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào).由于水晶的分子組成-這種類型的振蕩器在很寬的溫度范圍內(nèi)非常精確和穩(wěn)定.這最常用的晶體是石英晶振.生產(chǎn)石英晶體需要非常穩(wěn)定的溫度和壓力條件幾周之后.這使得晶體振蕩器比RC振蕩器更貴.
1.1壓電性
石英晶體具有直接的壓電特性.這意味著外加電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致晶體變形.相反,a晶體的變形會(huì)在端子上產(chǎn)生電壓.一旦振蕩器啟動(dòng),終端上不斷變化的電壓-振動(dòng)晶體的nals用作時(shí)鐘信號(hào).
1.2振蕩器的基本原理
圖1.1.簡(jiǎn)化反饋振蕩器環(huán)路
石英晶體振蕩器背后的原理是滿足巴克豪森條件的正反饋環(huán)路:如果閉環(huán)增益大于團(tuán)結(jié)和總相位滯后是360,最終的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的,將自我加強(qiáng).這是必要的,但不是存在振蕩的充分條件.當(dāng)滿足必要條件時(shí),振蕩器中的任何干擾(噪聲)將導(dǎo)致振蕩開(kāi)始.滿足巴克豪森條件的頻率放大最多,因?yàn)樗c原始信號(hào).
初始振蕩非常微弱,需要時(shí)間將信號(hào)放大到所需的幅度.當(dāng)振蕩建立時(shí),只需要少量的能量來(lái)補(bǔ)償電路中的損耗.數(shù)學(xué)上,需要閉環(huán)增益為1保持穩(wěn)態(tài)振蕩.微控制器系列1或無(wú)線SoC系列1依賴于由控制的可調(diào)電流源自動(dòng)增益控制器,以實(shí)現(xiàn)并保持所需幅度.
第4頁(yè)的圖2.1簡(jiǎn)化反饋振蕩器環(huán)路顯示振蕩器電路由兩部分組成;放大階段以及決定哪個(gè)頻率經(jīng)歷360°相位滯后的濾波器.在晶體振蕩器的情況下,濾波器由晶體組成和外部負(fù)載電容器.
1.2.1啟動(dòng)時(shí)間
閉環(huán)增益的大小對(duì)啟動(dòng)時(shí)間有很大影響.高增益時(shí),信號(hào)必須減少了在環(huán)路周圍傳播以達(dá)到期望的振幅.對(duì)于快速啟動(dòng),高增益是首選.出于同樣的原因,振蕩頻率會(huì)影響啟動(dòng)時(shí)間在千赫范圍內(nèi)的晶振會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間啟動(dòng)時(shí)間比MHz范圍內(nèi)的晶體長(zhǎng),因?yàn)檠h(huán)環(huán)路所需的時(shí)間更長(zhǎng).微控制器的典型啟動(dòng)時(shí)間系列1或無(wú)線SoC系列1對(duì)于低頻振蕩器為200-400毫秒,對(duì)于高頻振蕩器為200-400毫秒.
1.3晶體建模
晶體可以用第5頁(yè)圖2.2晶體的等效電路來(lái)描述.
圖2.2.晶體的等效電路
CS是運(yùn)動(dòng)電容.它代表從晶體位移中獲得的壓電電荷.
RS是運(yùn)動(dòng)阻力.它代表晶體中的機(jī)械損耗.
LS是運(yùn)動(dòng)電感.它代表晶體中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量.
C0是電極之間的分流電容和外殼的雜散電容.
對(duì)于低頻,等效電路將呈現(xiàn)容性行為,如圖2.3電抗與頻率的關(guān)系所示在第5頁(yè).隨著頻率的增加,電感的存在變得更加明顯,電抗也隨之增加.忽略并聯(lián)電容C0,串聯(lián)諧振頻率定義為電感器和電容器的電抗抵消的頻率.在這個(gè)頻率-頻率貼片晶振看起來(lái)只是電阻性的,沒(méi)有相移.因此,串聯(lián)諧振頻率決定了CS的值和LS,可以用下面的公式計(jì)算.串聯(lián)諧振頻率是自然諧振頻率,其中機(jī)械能和電能之間的能量轉(zhuǎn)換最有效.
圖1.3.電抗與頻率的關(guān)系
在更高的頻率下,等效電路將呈現(xiàn)電感性,這意味著更高的阻抗.當(dāng)感抗從晶體抵消了并聯(lián)電容C0的容抗,存在零相移的另一個(gè)石英晶體諧振器諧振頻率.這頻率被稱為反諧振頻率fA.在此頻率下,阻抗處于最大值.晶體中的電感并且分流電容將相互饋送并且獲得最低可能的電流消耗.
fS和fA之間的頻率范圍稱為平行諧振區(qū)域,是晶體正常振蕩的地方.在諧振頻率,反饋環(huán)路中的相位滯后由一個(gè)具有180°相位滯后的放大器和兩個(gè)具有組合180°相位滯后.實(shí)際上,放大器提供略高于180°的相移,這意味著晶體必須出現(xiàn)略微歸納以滿足巴克豪森標(biāo)準(zhǔn).
1.3.1串聯(lián)和并聯(lián)諧振晶體
并聯(lián)諧振晶體需要容性負(fù)載以指定頻率振蕩,這是所需的諧振模式MCU系列1或無(wú)線SoC系列1設(shè)備.在MCU系列1或無(wú)線SoC系列1設(shè)備上,負(fù)載電容位于片內(nèi),它們的值可以由固件控制.因此,MCU系列1或無(wú)線SoC系列1設(shè)備不需要外部設(shè)備加載電容,降低材料成本,節(jié)省印刷電路板空間.并聯(lián)諧振晶體的精確振蕩頻率可以計(jì)算出來(lái)與下面的等式相關(guān),其中CL是晶體看到的負(fù)載電容.因此,CL是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)在平行諧振晶體數(shù)據(jù)表中給出.
物理上串聯(lián)和并聯(lián)諧振晶體沒(méi)有區(qū)別.串聯(lián)諧振晶體被指定在晶體無(wú)電抗出現(xiàn)的串聯(lián)諧振頻率.因此,外部電容不應(yīng)表現(xiàn)為這將把振蕩頻率降低到低于自然諧振頻率.這些石英晶體振蕩器旨在用于具有以下特性的電路沒(méi)有振蕩器電路提供360°相移的外部電容.
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