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晶體振蕩器如何讓數字電子裝置同步化

作者:Diodes 公司應用工程部經理 Qin Zhuang時間:2021-04-29來源:電子產品世界收藏

大多數您所設計或使用的電子系統,都具有一或多個振蕩器來提供頻率以進行同步運作,作為頻率參考或實現準確的定時。本文將討論石英晶體振蕩器的優點,以及一些可用的選擇。

本文引用地址:http://www.ncspllc.com/article/202104/425071.htm

在以微處理器為基礎的系統中,存在著數種不同的頻率訊號,用于執行指令、將數據移入和移出內存,以及外部通訊接口。

一個簡單的嵌入式控制器可能擁有幾 MHz 的時鐘頻率,而個人計算機中的微處理器通常預期會有 15 MHz 的輸入頻率。這將在內部倍數增加,以提供 CPU 和其他子系統的頻率。系統中的其他組件可能都各有自己的頻率要求。例如,以太網絡控制器需要 25 MHz 的頻率,或實時頻率 (RTC) 需要 32.768 kHz。

射頻 (RF) 系統需要準確的頻率參考,以實現端對端通訊并可過濾不需要的訊號和噪聲。

關鍵振蕩器特性

除了提供指定頻率的基本需求外,依據您的產品應用,振蕩器可能還必須滿足其他需求。

例如,許多產品應用需要極為精確定義的頻率。對于需要透過序列或無線接口與其他裝置進行通訊的系統而言,這尤其重要。準確度通常以百萬分之一 (ppm) 為單位進行測量。

針對手持或電池供電的設備而言,擁有低功耗是十分重要的。對 RTC 來說尤其如此,因為即使在低功耗或待機模式下,電路的此一部分也將始終處于有效狀態。

最后,您可能需要考慮例如操作環境、成本和外形尺寸等各種因素。

完美諧振

任何振蕩器都使用某種諧振或微調電路,搭配放大和回饋來產生特定頻率輸出。

微調電路可以電阻電容 (RC) 或電感電容 (LC) 網絡為基礎。這些裝置較為簡單,且能在寬廣的范圍內變更頻率。不過,設計一個準確的 RC 或 LC 振蕩器,需要使用昂貴的精確組件。即便如此,它們也無法滿足許多產品應用所要求的最高準確度和穩定性。

晶體 (通常為石英) 也可以作為諧振組件。將晶體切割為兩個平行的晶面,并在其上沉積金屬接點。石英具有壓電效應,代表將該晶體置于壓力下時,其晶面會產生電壓。相反地,在晶體上施加電壓時,晶體亦會改變形狀。

這種回饋會使晶體以其自然諧振頻率進行振蕩。這將由晶體的尺寸及其切割方式決定。最常見的裁切方式稱為 AT。這可以用于很廣泛的頻率范圍,并具有良好的熱穩定性。

晶體諧振器具備很高的質量 (Q) 因子,這代表頻率是精確定義且非常穩定,因此晶體可用作低成本、高準確度振蕩器的基礎。

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圖1 晶體結構及等效電路

晶體諧振器結構和等效電路如圖 1 所示。值 Cp 代表兩個平行電極的電容。組件 Ls、Rs 和 Cs 代表晶體的機械屬性 (質量、內摩擦和彈性)。

等效電路表示存在兩種可能的諧振頻率:一種是由于 Ls 和 Cs 串聯所引起,另一種則是由于 Cp 與電感并聯所引起。

串聯諧振定義算式:

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并聯諧振頻率算式:

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這兩個頻率之間的距離通常小于 1%,且振蕩器電路

定義使用哪種諧振模式。大多數振蕩器使用并聯模式。

對于約 75 MHz 以上的高頻率而言,晶體可以基礎頻率或泛音的倍數進行振蕩。

振蕩器電路

振蕩器電路通常會整合到需要頻率訊號的裝置內。例如,許多微控制器和類似裝置都有兩個接腳,您可以在上面簡單地連接一個晶體和一對陶瓷電容器來完成電路。

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圖2 振蕩器組件和雜散電容

電路的總負載電容 (CL) 需要與晶體的指定 CL 相符。這是由陶瓷電容器加上晶體封裝、振蕩器輸入接腳和電路板線路的任何雜散電容組成。

要準確計算電路中的所有雜散電容和寄生電容并不容易,因此您可以先進行預估 (通常在 4 至 6 pF 左右),然后測量輸出頻率,以查看是否需要調整電容器的值。

如果總 CL 大于指定 CL,將會降低振蕩頻率。如果 CL 太低,則頻率將更高。

如果 CL 的高低過于懸殊,則振蕩器可能根本無法啟動。

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圖3 振蕩器電路

您也可以使用晶體管或反向邏輯閘極作為回饋放大器,以建構外部振蕩器電路,如圖 3 所示。但是,即使大多數晶體廠商都會提供設計指南,但設計高質量振蕩器仍具有挑戰性;因此,購買現成的振蕩器模塊可能更為簡單。振蕩器模塊含一個晶體,以及包括負載電容器等所有需要的組件。這可以保證您以合理的價格獲得高效能振蕩器。您只需提供適合的電源供應器即可。

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圖4 晶體振蕩器模塊

對于以太網絡接口或無線通信系統等要求準確和穩定頻率的產品應用,晶體振蕩器模塊是不錯的選擇。

主題的變化

由于頻率會隨外部 CL 變化,使得建構能在很小范圍內調節輸出的晶體振蕩器成為可能。例如,這在接收器需要調整自己的頻率以符合接收訊號的 RF 應用中非常實用。

電壓控制晶體振蕩器 (VCXO) 使用稱為變容器 (或變容二極管) 的裝置作為負載電容器。變容器的電容會隨施加的控制電壓而變化,進而改變振蕩頻率。

VCXO 的關鍵參數為「牽引率」,控制電壓范圍和頻率抖動。

●   牽引率定義給定控制電壓變化時的頻率變化。較大的值表示振蕩器可以在較大的范圍內運作,但是較小的值表示較佳的穩定性和較低的相位噪聲。最大調整范圍通常約為 +/-200 ppm。

●   控制電壓通常為 0 V 至 2 或 3V。

●   頻率抖動會高于固定頻率振蕩器,尤其是在限制狀態運作時調整范圍的極端情況下。

如果您在操作溫度范圍內要求的穩定性,比普通晶體振蕩器所能提供的更大,則可能需要使用溫度補償晶體振蕩器 (TCXO)。這些也可以作為具有廣泛參數的現成模塊來提供。

TCXO 包含一個測量環境溫度,然后產生控制電壓以調整 VCXO 頻率的電路,以補償溫度變化所產生的影響。TCXO 會根據晶體的溫度頻率響應曲線計算所需的控制電壓。

TCXO 模塊通常也包括自己的穩壓器,因此振蕩器不會受外部供應電壓變化的影響。

結論

石英晶體提供高度準確、穩定且低成本的頻率參考。

晶體和晶體振蕩器具有廣泛的參數和實作方式,以滿足您的產品應用需求。

許多裝置都整合振蕩器電路,使設計過程變得非常簡單。

作為替代方案,特別是如果需要更高質量的頻率時,便可以使用晶體振蕩器模塊。與整合式振蕩器相比,它們通常具有更高的準確度和穩定性。模塊也可提供電壓控制頻率或溫度補償。



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