ECS Crystal成立至今已是國際有名的晶體頻率元件制造商,所生產(chǎn)的石英晶體,SMD晶振,石英晶體振蕩器具有高穩(wěn)定性,低功耗等特點.ECS振蕩器產(chǎn)品系列包括時鐘振蕩器,TCXO,VCXO,VCTCXO和VCXO.下面億金電子ECS晶振代理商介紹有關(guān)ECS振蕩器電路設(shè)計考慮因素的信息.

晶體控制振蕩器可以被認(rèn)為包括放大器和反饋網(wǎng)絡(luò),其選擇放大器輸出的一部分并將其返回到放大器輸入.您可以在下面查看此類電路的示例.

（A）環(huán)路功率增益必須等于同步.

（B）環(huán)路相移必須等于0,2Pi,4Pi等弧度

反饋到放大器輸入端的功率必須足以提供振蕩器輸出,放大器輸入和克服電路損耗.

振蕩器工作的確切頻率取決于振蕩器電路內(nèi)的環(huán)路相位角度偏移.相位角的任何凈修改都將導(dǎo)致輸出頻率的變化.作為振蕩器提供基本上與變量無關(guān)的頻率的通常目標(biāo),必須采用一些減少凈相改變的方法.可以想象,最小化和最大限度地減少凈相移的最常見方法是在反饋回路中使用石英晶體單元.

石英晶體的阻抗變化如此劇烈,隨著施加頻率的變化,所有其他電路元件可被認(rèn)為是基本上連續(xù)的電抗.因此,當(dāng)在振蕩器的反饋回路中使用石英晶體單元時,晶體單元的頻率將自我調(diào)節(jié),使得晶體單元呈現(xiàn)滿足環(huán)路相位必要性的電抗.以下顯示石英晶體單元的電抗與頻率的表示.

從圖B中可以明顯看出,石英晶體單元具有兩個零相位頻率.兩者中的初始或較小的是串聯(lián)諧振頻率,通常縮寫為Fs.零相位的兩個頻率中的后續(xù)或更高頻率是相應(yīng)的或反共振頻率,通常縮寫為Fa.串聯(lián)和相應(yīng)的諧振頻率在振蕩器電路中都是電阻性的.在串聯(lián)諧振點處,電阻最小并且電流最大.

在平行點處,電阻是最大的并且電流是邊際的.因此,并聯(lián)諧振頻率Fa永遠(yuǎn)不應(yīng)用作振蕩器電路的控制頻率.

通過在振蕩器電路的反饋回路中包括無功分量（通常是電容器）,可以使石英晶體單元在沿串聯(lián)和并聯(lián)諧振點之間的線的任何點處振蕩.因此,增加電容產(chǎn)生的頻率高于串聯(lián)諧振頻率;它通常被稱為并行頻率,但它小于事實并行頻率.

正如有兩個與石英晶振單元相關(guān)的零相位頻率,有兩個主振蕩器電路.這些電路通常由要使用的晶體單元的類型定義,即"串聯(lián)"或"并聯(lián)".

串聯(lián)電路：串聯(lián)諧振振蕩器電路使用的晶體設(shè)計為以其自然串聯(lián)諧振頻率工作.在這樣的電路中,反饋回路中不會有電容器.串聯(lián)諧振振蕩器電路的使用主要是因為它們的元件數(shù)量最少.盡管如此,這些電路可以提供除通過晶體單元之外的反饋路徑.因此,在發(fā)生晶體故障時,這種電路可能保持以某些主觀頻率振蕩.下面給出基本串聯(lián)諧振振蕩器電路的表示.

從圖C中可以看出,如果需要修改,串聯(lián)諧振振蕩器電路不提供調(diào)節(jié)輸出頻率的手段.在上述電路中,利用電阻器R1來偏置逆變器并使其在其線性區(qū)域中工作.該電阻還向逆變器提供負(fù)反饋.電容器C1是連接器電容器,用于阻斷直流電壓.電阻器R2用于偏置晶體單元;因此,必須注意不要選擇太小的值.晶體單元Y1是串聯(lián)諧振晶體單元,被指定以優(yōu)選頻率工作并具有所需的頻率容差和穩(wěn)定性.

并聯(lián)電路：并聯(lián)諧振振蕩器電路使用晶體單元,該單元設(shè)計用于以指定的負(fù)載電容值工作.這將產(chǎn)生一種結(jié)果,其中晶振晶體頻率高于串聯(lián)諧振頻率但低于真正的并聯(lián)諧振頻率.這些電路不提供通過晶體單元以外的路徑來完成反饋環(huán)路.在晶體單元發(fā)生故障時,電路將不再繼續(xù)振蕩.下面給出并聯(lián)諧振電路的簡單描述.

   該電路使用單反相器,反饋環(huán)路中有兩個電容.這些電容包含"負(fù)載電容",并與晶體單元一起產(chǎn)生振蕩器工作的頻率.隨著負(fù)載電容值的改變,振蕩器的輸出頻率也會改變.因此,如果需要調(diào)整,該電路確實提供了調(diào)整輸出頻率的合適方法.

電阻器R1和R2的功能與圖C所示的串聯(lián)諧振電路的功能相同.兩個負(fù)載電容CL1和CL2有助于確定晶振晶體單元和振蕩器工作的頻率.晶體單元Y1是并聯(lián)諧振晶體單元,規(guī)定以優(yōu)選頻率和所需頻率容差和穩(wěn)定性以指定的負(fù)載電容值工作.

負(fù)載電容：已參考"指定負(fù)載電容".負(fù)載電容可以描述為"通過晶體的連接點存在于振蕩器電路中的電容的值,測量或計算的".在串聯(lián)諧振電路的情況下,晶體單元的連接點之間不存在電容,因此,對于串聯(lián)諧振晶體單元,不需要說明負(fù)載電容.在并聯(lián)諧振振蕩器電路的情況下,存在電容.由于該電容的直接尺寸是不合理的,因此經(jīng)常需要計算該值.負(fù)載電容值的計算通過以下等式完成：

其中CL1和CL2是負(fù)載電容,Cs是電路流浪電容,通常為3.0到5.0pF.

必須注意的是,負(fù)載電容值的變化將導(dǎo)致振蕩器輸出頻率的變化.因此,需要精確的頻率控制,然后需要精確的負(fù)載電容規(guī)范.為了演示,假設(shè)石英貼片晶振單元被指定在20.000MHz的頻率下工作,容量為20.0pF.假設(shè)晶體單元然后放置在一個評估為30.0pF的電路中.然后,晶體單元的頻率將低于指定值.相反,如果有關(guān)電路的評估值為10.0pF;頻率將高于指定值.負(fù)載電容之間的關(guān)聯(lián)如下所示.

DRIVE LEVEL："驅(qū)動電平"是晶體單元在工作時消耗的功率.功率是所施加電流的函數(shù),通常用毫瓦或微瓦表示.晶體單元被指定為具有某些驅(qū)動電平的最大值,其作為頻率和操作模式的函數(shù)進(jìn)行變換.最好與晶體單元供應(yīng)商商討特定晶體單元允許的驅(qū)動電平的最大值.超過給定晶體單元的最高驅(qū)動水平可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的操作放大老化速率,并且在某些情況下,導(dǎo)致災(zāi)難性破壞.驅(qū)動電平可以通過以下等式計算：

其中"I"是通過晶體單元的均方根電流,R是所討論的特定晶體單元的最大電阻值.等式（2）簡單地說就是"歐姆定律".

可以通過臨時插入與晶體單元串聯(lián)的電阻器來完成操作振蕩器電路中的實際驅(qū)動電平的測量.電阻必須與石英晶體單元具有相同的歐姆值.然后可以讀取電阻器兩端的電壓降,并計算電流和功耗.然后必須移除電阻器.作為測量驅(qū)動電平的替代方法,可以在空間允許的情況下在晶體單元的輸出引線處使用電流探針.該方法在下面的圖1中描述.

頻率與模式：石英晶體單元的頻率受振動石英元件的物理尺寸限制.在某些情況下,限制尺寸是長度和寬度.在最流行的晶體單元"AT"切割晶體單元的情況下,限制尺寸是振動石英元件的厚度.隨著厚度減小,頻率增加.在通常約30.000MHz的某些點處,石英板的厚度變得太薄而不能加工.

如果需要開發(fā)頻率高于極限頻率的石英晶體振蕩器,必須考慮到石英晶體單元將以其"基本"頻率的奇數(shù)倍振蕩的事實.我們可以將"基本"頻率定義為"在給定的一組機(jī)械尺寸上自然發(fā)生的頻率".因此,如果晶體單元的基頻為10.0MHz,也可以使其在基波的3,5,7等時振蕩.也就是說,該單位將在30.0振蕩.50.0,70.0等MHz

這些基頻的倍數(shù)稱為"泛音",由乘法的整數(shù)表示,如"三次泛音","五次泛音"等.當(dāng)需要使用泛音頻率時,晶體單位必須是指定以期望的頻率和期望的泛音操作.人們不應(yīng)該嘗試訂購基模晶體,然后以泛音頻率進(jìn)行操作.這是因為晶體制造工藝對于基本和泛音晶體單元而言是不同的.

在許多情況下,在特定振蕩器設(shè)計中使用的集成電路的特性決定了地殼單元的基頻被抑制,以確保在所需頻率和期望的泛音下操作.在這種情況下,通常需要修改振蕩器電路.一種修改方法是添加"槽"電路,包括電感器和電容器.這些修改如圖F和G所示.

在這兩種情況下,諧振電路都轉(zhuǎn)向在基頻和所需頻率之間的某個頻率下諧振.這導(dǎo)致不需要的頻率被分流到地,在振蕩器的輸出端僅留下所需的頻率.

設(shè)計考慮因素：為了振蕩器電路的良好運行,應(yīng)遵循某些設(shè)計考慮因素.在所有情況下,建議避免使用并行走線,以減少電路雜散電容.所有跡線應(yīng)盡可能短,并應(yīng)隔離組件以防止耦合.應(yīng)使用地平面隔離信號.

負(fù)阻力：為了獲得最佳性能,必須設(shè)計振蕩器電路以增強(qiáng)"負(fù)電阻",有時稱為"振蕩裕量".通過臨時安裝與ECS石英晶體振蕩器晶體單元串聯(lián)的可變電阻器來實現(xiàn)對給定電路中的負(fù)電阻量的評估.電阻應(yīng)初始設(shè)置為最低設(shè)置,最好接近零歐姆.啟動振蕩器并在示波器上監(jiān)視輸出.然后調(diào)節(jié)可變電阻器,以便在連續(xù)監(jiān)測輸出的同時增加電阻.在一定的電阻值下,振蕩將停止.此時,測量可變電阻器以確定振蕩停止的歐姆值.對于這個值,晶體單元的最大電阻,必須添加供應(yīng)商指定的.總歐姆電阻被認(rèn)為是"負(fù)電阻"或"振蕩裕量".為了獲得良好,可靠的電路操作,建議負(fù)電阻至少為晶體單元規(guī)定的最大電阻值的五倍.

負(fù)電阻值超過晶體單元最大電阻的五倍是更好的.由于負(fù)電阻在高溫下趨于降低,因此建議在工作范圍的最高溫度下進(jìn)行測試.請參閱下面說明的特殊程序.

負(fù)阻測量程序

1）打開所用主電路中晶體單元的任一端,并插入一個與晶體振蕩器單元串聯(lián)的可變電阻,如圖所示.改變電阻值以檢查當(dāng)時觀察到的振蕩極限和電阻（歐姆）.在這種情況下,必須打開和關(guān)閉電源,確保無誤.

2）電路中的負(fù)電阻（-R）是上述步驟1）獲得的值與晶體的諧振電阻R1之和.

注意：該測量應(yīng)在工作溫度范圍的上限和下限進(jìn)行.

3）C1和C2應(yīng)在10~30pF的范圍內(nèi)使用.如果C1和C2的使用低于10pF或高于30pF,則振蕩性能可能很容易受到影響.驅(qū)動電平可能會增加,或負(fù)電阻可能會降低,從而無法保持振蕩.