石英晶體諧振器的功能是鎖定電路的振蕩頻率，在電子電路中得到廣泛使用。優(yōu)秀的電路設(shè)計(jì)及周邊元件配置，可以使晶體諧振器工作在良好的狀態(tài)，客戶電路的頻率穩(wěn)定度也會(huì)得到更好的保證。石英晶振分為有源的晶體振蕩器和無(wú)源的晶體諧振器兩種。

    晶體振蕩器也稱為有源晶振 (Oscillator, OSC, XO)，只要電路提供直流電源電壓即可輸出振蕩波形和頻率。

晶體諧振器也稱無(wú)源晶振 (Crystal, X’tal)，需要電路里IC提供激勵(lì)才能產(chǎn)生振蕩。 

    如何才能讓電路與晶體諧振器達(dá)到良好的匹配工作狀態(tài)，電路設(shè)計(jì)工程師需要關(guān)注哪些內(nèi)容呢？晶振廠商應(yīng)達(dá)利帶您深入了解以下幾點(diǎn)：

• 振蕩電路提供給晶體的負(fù)性阻抗
• 振蕩電路給予晶體的激勵(lì)功率
• 振蕩電路的工作頻率  

振蕩電路的負(fù)性阻抗

    為了保證振蕩電路能夠在足夠短的時(shí)間內(nèi)可靠起振，需要電路的負(fù)性阻抗-R足夠大。 -R越大，振蕩器越容易起振，起振的時(shí)間也越短。

    晶體振蕩電路的負(fù)性阻抗主要是整個(gè)振蕩回路的增益gm來(lái)決定：

根據(jù) IEC60444-6 的說(shuō)明及建議，振蕩回路的負(fù)阻在大于或等于晶體Rr的3倍時(shí)，振蕩回路的增益就可使振蕩電路工作；若-R低于3倍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)振蕩電路與石英諧振器的匹配不良，容易出現(xiàn)不起振或振蕩不穩(wěn)定、間歇起振、振蕩啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)等問(wèn)題。

一般電路的負(fù)性阻抗-R能夠達(dá)到5倍或以上，更利于電路的起振及頻率的穩(wěn)定。

 

   

振蕩電路的激勵(lì)功率

    當(dāng)電路通電，IC工作信號(hào)注入晶體，驅(qū)使晶體諧振器振蕩時(shí)，內(nèi)部的石英晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振蕩，由于晶片的變形、震動(dòng)和內(nèi)部摩擦等，將會(huì)產(chǎn)生一些損耗。如果激勵(lì)強(qiáng)度過(guò)小，容易出現(xiàn)起振困難，且信號(hào)的信噪比較差；而激勵(lì)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，可能引起晶體的不可逆損壞。

使用高頻電流探頭測(cè)試流過(guò)晶體電流Ix的有效值，可以算出電路給予晶體的激勵(lì)功率DL ：

DL=I2*RL ， RL=Rr*(1+Co/Cpcb)²

Rr 是晶振的諧振阻抗，Co是晶振的靜態(tài)電容，Cpcb是電路對(duì)晶體的負(fù)載電容。

一般情況下，減小Cg，Cd或者增大Rd就可以降低電路的激勵(lì)功率。

驅(qū)動(dòng)功率DL的合理范圍： MHz DL=1~100uW； KHz DL<1uW

 

 

振蕩電路的輸出頻率

   晶體振蕩電路的作用是提供振蕩頻率，那么如何才能獲得期望的輸出頻率呢？

    晶體諧振器在電路里的輸出頻率，是受到電路等效負(fù)載電容影響的，只有當(dāng)振蕩電路PCB 板上有效負(fù)載電容Cpcb，等于晶體諧振器的負(fù)載電容CL時(shí)，晶體工作時(shí)的條件才會(huì)與晶體供貨商的負(fù)載相同，電路的輸出頻率才是晶體的負(fù)載諧振頻率，此時(shí)可得出最理想的輸出頻率Fpcb：

         Fpcb=Fr*(1+C1/(2*(Co+Cpcb)))，  Fr=1/(2*π*Sqrt(C1*L1))

振蕩電路的PCB 板上有效負(fù)載電容Cpcb計(jì)算公式是：Cpcb= C1×C2/(C1+C2)+Cs

Cs是 PCB 的雜散電容的總和：主要是由PCB的分布電容和 IC 內(nèi)部的結(jié)電容構(gòu)成，對(duì)晶體的振

動(dòng)頻率及電路振蕩穩(wěn)定性有著極大的影響。

 

 

    總之，當(dāng)振蕩電路的基本結(jié)構(gòu)確定后，電路設(shè)計(jì)時(shí)工程師需要對(duì)電路的負(fù)性阻抗、激勵(lì)功率、在板頻率輸出進(jìn)行確認(rèn)，通過(guò)對(duì) C1、C2、Rd 的優(yōu)化調(diào)節(jié)，得到理想晶體振蕩電路設(shè)計(jì)，使振蕩電路與晶體諧振器達(dá)成完美的匹配，消除潛在的不良因素，獲得穩(wěn)定的頻率輸出。

 

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