使用Crystal oscillator時(shí)必須要知道的事
來源：http://djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年05月14
也許你不知道，但是Crystal oscillator已經(jīng)越來越被廣泛應(yīng)用了，尤其是每天都要用到智能手機(jī)，電腦，交通工具等領(lǐng)域，而且尺寸也非常小，最小的振蕩器體積可達(dá)到1.6*1.2mm，一般來說oscillator的穩(wěn)定性和性能都比較高。前提是要正確的使用它，并且盡量避免所以可能影響其品質(zhì)的因素。
如果要讓晶體振蕩器可以正常的振蕩，不僅僅是把它焊接上去就可以了，還要滿足一些條件，和運(yùn)用相關(guān)的計(jì)算和知識(shí)，才能正確的使用石英晶體振蕩器，并發(fā)揮出優(yōu)良的穩(wěn)定性。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。下面示出了這種電路的概括描述。
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為了使振蕩器電路工作，必須滿足兩（2）個(gè)條件：
（A）環(huán)路功率增益必須等于1。
（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，并克服電路損耗。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。相角的任何凈變化都將導(dǎo)致輸出頻率的變化。由于振蕩器的通常目標(biāo)是提供基本上與變量無關(guān)的頻率，因此必須采用一些最小化凈相移的方法。也許最好的，當(dāng)然最常見的最小化凈相移的方法是在反饋回路中使用石英晶體單元。
隨著施加頻率的變化，石英晶體的阻抗發(fā)生顯著變化，所有其他電路元件可被認(rèn)為具有基本恒定的電抗。因此，當(dāng)在振蕩器的反饋回路中使用晶體單元時(shí)，晶體單元的頻率將自身調(diào)節(jié)，使得晶體單元呈現(xiàn)滿足環(huán)路相位要求的電抗。以下示出石英晶體諧振器單元的電抗與頻率的關(guān)系。
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從圖2.0可以看出，石英晶體單元具有兩個(gè)零相位頻率。兩者中的第一個(gè)或更低的是串聯(lián)諧振頻率，通?？s寫為Fs。零相位的兩個(gè)或更高頻率中的第二個(gè)或更高是并聯(lián)或反共振頻率，通?？s寫為Fa。串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率在振蕩器電路中都呈電阻性。在串聯(lián)諧振點(diǎn)處，電阻最小并且電流最大。在平行點(diǎn)處，電阻是最大的并且電流是最小的。因此，并聯(lián)諧振頻率Fa不應(yīng)該用作振蕩器電路的控制頻率。
通過在Oscillator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(diǎn)之間的線的任何點(diǎn)處振蕩。在這種情況下，振蕩頻率將高于串聯(lián)諧振頻率但低于并聯(lián)諧振頻率。由于電容的增加所產(chǎn)生的頻率高于串聯(lián)諧振頻率，因此通常稱為并聯(lián)頻率，盡管它低于真實(shí)的并聯(lián)頻率。正如有兩個(gè)與石英晶體單元相關(guān)的零相位頻率，有兩個(gè)主振蕩器電路。這些電路一般用所使用的晶體單元的類型來描述，即“串聯(lián)”或“并聯(lián)”。
系列電路：
串聯(lián)諧振振蕩器電路使用設(shè)計(jì)為以其自然串聯(lián)諧振頻率工作的晶體。在這樣的電路中，反饋回路中不會(huì)有電容器。串聯(lián)諧振振蕩器電路的使用主要是因?yàn)樗鼈兊脑?shù)量最少。然而，這些電路可以提供除通過晶體單元之外的反饋路徑。因此，在晶體故障的情況下，這種電路可能繼續(xù)以某個(gè)任意頻率振蕩。下面給出基本串聯(lián)諧振電路的描述。
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從圖3.0可以看出，如果需要調(diào)整，串聯(lián)諧振振蕩器電路不提供調(diào)節(jié)輸出頻率的方法。在上述電路中，電阻器R1用于偏置逆變器并使其在其線性區(qū)域中工作。該電阻還為逆變器提供負(fù)反饋。電容器C1是耦合電容器，用于阻止直流電壓。電阻器R2用于偏置晶體單元。該電阻強(qiáng)烈影響時(shí)鐘晶體單元看到的驅(qū)動(dòng)電流，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，被指定以所需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，該晶體單元設(shè)計(jì)用于以指定的負(fù)載電容值工作。這將導(dǎo)致晶體頻率高于串聯(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。如果晶體單元發(fā)生故障，電路將不會(huì)繼續(xù)振蕩。下面給出并聯(lián)諧振電路的基本描述。
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該電路使用單個(gè)逆變器，反饋回路中有兩個(gè)電容器。這些電容包括“負(fù)載電容”，并與晶體單元一起確定石英振蕩器工作的頻率。隨著負(fù)載電容的值改變，振蕩器的輸出頻率也改變。因此，如果需要調(diào)整，該電路確實(shí)提供了調(diào)整輸出頻率的便利方法。
電阻R1和R2具有與圖3.0所示串聯(lián)諧振電路相同的功能。兩個(gè)負(fù)載電容CL1和CL2用于建立晶體單元以及振蕩器工作的頻率。晶體單元Y1是并聯(lián)諧振晶體單元，被指定為以所需頻率和所需頻率容限和穩(wěn)定性以所需的負(fù)載電容值工作。
負(fù)載電容：
已經(jīng)參考了“負(fù)載電容的規(guī)定值”。負(fù)載電容可以定義為“在晶體的連接點(diǎn)上存在于SPXO振蕩器電路中的電容值，無論是測量的還是計(jì)算的。”在串聯(lián)諧振電路中，晶體單元的連接點(diǎn)之間不存在電容，因此，不需要為串聯(lián)諧振晶體單元指定負(fù)載電容。在并聯(lián)諧振振蕩器電路的情況下，存在電容。由于直接測量該電容是不切實(shí)際的，通常需要計(jì)算該值。負(fù)載電容值的計(jì)算通過以下等式完成：
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其中CL1和CL2是負(fù)載電容，CS是電路雜散電容，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，如果需要精確的頻率控制，則需要精確的負(fù)載電容規(guī)格。為了說明，假設(shè)晶體單元被指定工作在20.000MHz的頻率，負(fù)載電容為20.0pF。假設(shè)晶體單元然后被放置在具有30.0pF值的電路中。然后，晶體單元的頻率將低于指定值。相反，如果所討論的電路的值為10.0pF，則頻率將高于指定值。頻率和負(fù)載電容之間的關(guān)系如下所示。
負(fù)面抵抗力：
為了獲得最佳性能，必須設(shè)計(jì)振蕩器電路以增強(qiáng)“負(fù)電阻”，這有時(shí)稱為“振蕩裕量”。通過臨時(shí)安裝變量來評(píng)估給定電路中的負(fù)電阻量。電阻器與晶體單元串聯(lián)。電阻應(yīng)初始設(shè)置為最低設(shè)置，最好接近零歐姆。然后啟動(dòng)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(shí)增加電阻。在一定的電阻值下，振蕩將停止。此時(shí)，測量可變電阻器以確定振蕩停止的歐姆值。對于該值，必須添加供應(yīng)商指定的晶體單元的最大電阻?？倸W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)電阻至少是晶體單元規(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，因此建議在最高工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測試。
頻率與OVERTONE模式：
石英晶體單元的頻率受振動(dòng)石英元件的物理尺寸的限制。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(dòng)石英元件的厚度。隨著厚度減小，頻率增加。在某些時(shí)候，通常約為30.000MHz，石英板的厚度變得太薄而無法加工。
如果需要開發(fā)頻率高于極限頻率的振蕩器，必須考慮到石英晶體單元將以其“基本”頻率的奇數(shù)倍整數(shù)振蕩的事實(shí)。我們可以將“基本”頻率定義為“在給定的一組機(jī)械尺寸下自然發(fā)生的頻率。”因此，如果晶體單元的基頻為10.0MHz，也可以使其振蕩為3,5，7，等倍的根本。也就是說，該單元將以30.0,50.0,70.0等頻率振蕩。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(shí)，晶體單位必須是指定以期望的頻率和期望的泛音操作。永遠(yuǎn)不應(yīng)該嘗試訂購基模晶體單元，然后以泛音頻率操作它。這是因?yàn)榫w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，在特定有源晶振設(shè)計(jì)中使用的集成電路的特性決定了晶體單元的基頻被抑制，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6.0和7.0所示。
圖6.0描述了串聯(lián)諧振電路的修改，而圖7.0描述了并聯(lián)諧振電路的修改。
在這兩種情況下，諧振電路都被調(diào)諧到在基頻和所需頻率之間的某個(gè)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(jì)注意事項(xiàng)：
為了振蕩器電路的良好操作，應(yīng)遵循某些設(shè)計(jì)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(hào)。
驅(qū)動(dòng)水平：
“驅(qū)動(dòng)電平”是晶體單元在工作時(shí)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(dòng)電平的最大值，其隨頻率和操作模式的變化而變化。最好咨詢晶體單元供應(yīng)商，了解特定晶體單元允許的驅(qū)動(dòng)電平的最大值。超過給定晶體單元的最大驅(qū)動(dòng)電平可能導(dǎo)致操作不穩(wěn)定，老化速率增加，并且在某些情況下會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性損壞。驅(qū)動(dòng)電平可以通過以下等式計(jì)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(shí)插入與晶體單元串聯(lián)的電阻器來實(shí)現(xiàn)對工作oscillator Crystal電路中的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電平的測量。電阻必須與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(jì)算電流和功耗。然后必須移除電阻器。作為測量驅(qū)動(dòng)電平的替代方法，如果空間允許，可以在晶體單元的輸出引線處使用電流探針。
如果要讓晶體振蕩器可以正常的振蕩，不僅僅是把它焊接上去就可以了，還要滿足一些條件，和運(yùn)用相關(guān)的計(jì)算和知識(shí)，才能正確的使用石英晶體振蕩器，并發(fā)揮出優(yōu)良的穩(wěn)定性。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。下面示出了這種電路的概括描述。
（A）環(huán)路功率增益必須等于1。
（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，并克服電路損耗。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。相角的任何凈變化都將導(dǎo)致輸出頻率的變化。由于振蕩器的通常目標(biāo)是提供基本上與變量無關(guān)的頻率，因此必須采用一些最小化凈相移的方法。也許最好的，當(dāng)然最常見的最小化凈相移的方法是在反饋回路中使用石英晶體單元。
隨著施加頻率的變化，石英晶體的阻抗發(fā)生顯著變化，所有其他電路元件可被認(rèn)為具有基本恒定的電抗。因此，當(dāng)在振蕩器的反饋回路中使用晶體單元時(shí)，晶體單元的頻率將自身調(diào)節(jié)，使得晶體單元呈現(xiàn)滿足環(huán)路相位要求的電抗。以下示出石英晶體諧振器單元的電抗與頻率的關(guān)系。
通過在Oscillator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(diǎn)之間的線的任何點(diǎn)處振蕩。在這種情況下，振蕩頻率將高于串聯(lián)諧振頻率但低于并聯(lián)諧振頻率。由于電容的增加所產(chǎn)生的頻率高于串聯(lián)諧振頻率，因此通常稱為并聯(lián)頻率，盡管它低于真實(shí)的并聯(lián)頻率。正如有兩個(gè)與石英晶體單元相關(guān)的零相位頻率，有兩個(gè)主振蕩器電路。這些電路一般用所使用的晶體單元的類型來描述，即“串聯(lián)”或“并聯(lián)”。
系列電路：
串聯(lián)諧振振蕩器電路使用設(shè)計(jì)為以其自然串聯(lián)諧振頻率工作的晶體。在這樣的電路中，反饋回路中不會(huì)有電容器。串聯(lián)諧振振蕩器電路的使用主要是因?yàn)樗鼈兊脑?shù)量最少。然而，這些電路可以提供除通過晶體單元之外的反饋路徑。因此，在晶體故障的情況下，這種電路可能繼續(xù)以某個(gè)任意頻率振蕩。下面給出基本串聯(lián)諧振電路的描述。
并聯(lián)電路：
并聯(lián)諧振振蕩器電路使用晶體單元，該晶體單元設(shè)計(jì)用于以指定的負(fù)載電容值工作。這將導(dǎo)致晶體頻率高于串聯(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。如果晶體單元發(fā)生故障，電路將不會(huì)繼續(xù)振蕩。下面給出并聯(lián)諧振電路的基本描述。
電阻R1和R2具有與圖3.0所示串聯(lián)諧振電路相同的功能。兩個(gè)負(fù)載電容CL1和CL2用于建立晶體單元以及振蕩器工作的頻率。晶體單元Y1是并聯(lián)諧振晶體單元，被指定為以所需頻率和所需頻率容限和穩(wěn)定性以所需的負(fù)載電容值工作。
負(fù)載電容：
已經(jīng)參考了“負(fù)載電容的規(guī)定值”。負(fù)載電容可以定義為“在晶體的連接點(diǎn)上存在于SPXO振蕩器電路中的電容值，無論是測量的還是計(jì)算的。”在串聯(lián)諧振電路中，晶體單元的連接點(diǎn)之間不存在電容，因此，不需要為串聯(lián)諧振晶體單元指定負(fù)載電容。在并聯(lián)諧振振蕩器電路的情況下，存在電容。由于直接測量該電容是不切實(shí)際的，通常需要計(jì)算該值。負(fù)載電容值的計(jì)算通過以下等式完成：
其中CL1和CL2是負(fù)載電容，CS是電路雜散電容，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，如果需要精確的頻率控制，則需要精確的負(fù)載電容規(guī)格。為了說明，假設(shè)晶體單元被指定工作在20.000MHz的頻率，負(fù)載電容為20.0pF。假設(shè)晶體單元然后被放置在具有30.0pF值的電路中。然后，晶體單元的頻率將低于指定值。相反，如果所討論的電路的值為10.0pF，則頻率將高于指定值。頻率和負(fù)載電容之間的關(guān)系如下所示。
為了獲得最佳性能，必須設(shè)計(jì)振蕩器電路以增強(qiáng)“負(fù)電阻”，這有時(shí)稱為“振蕩裕量”。通過臨時(shí)安裝變量來評(píng)估給定電路中的負(fù)電阻量。電阻器與晶體單元串聯(lián)。電阻應(yīng)初始設(shè)置為最低設(shè)置，最好接近零歐姆。然后啟動(dòng)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(shí)增加電阻。在一定的電阻值下，振蕩將停止。此時(shí)，測量可變電阻器以確定振蕩停止的歐姆值。對于該值，必須添加供應(yīng)商指定的晶體單元的最大電阻?？倸W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)電阻至少是晶體單元規(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，因此建議在最高工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測試。
頻率與OVERTONE模式：
石英晶體單元的頻率受振動(dòng)石英元件的物理尺寸的限制。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(dòng)石英元件的厚度。隨著厚度減小，頻率增加。在某些時(shí)候，通常約為30.000MHz，石英板的厚度變得太薄而無法加工。
如果需要開發(fā)頻率高于極限頻率的振蕩器，必須考慮到石英晶體單元將以其“基本”頻率的奇數(shù)倍整數(shù)振蕩的事實(shí)。我們可以將“基本”頻率定義為“在給定的一組機(jī)械尺寸下自然發(fā)生的頻率。”因此，如果晶體單元的基頻為10.0MHz，也可以使其振蕩為3,5，7，等倍的根本。也就是說，該單元將以30.0,50.0,70.0等頻率振蕩。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(shí)，晶體單位必須是指定以期望的頻率和期望的泛音操作。永遠(yuǎn)不應(yīng)該嘗試訂購基模晶體單元，然后以泛音頻率操作它。這是因?yàn)榫w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，在特定有源晶振設(shè)計(jì)中使用的集成電路的特性決定了晶體單元的基頻被抑制，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6.0和7.0所示。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：
為了振蕩器電路的良好操作，應(yīng)遵循某些設(shè)計(jì)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(hào)。
驅(qū)動(dòng)水平：
“驅(qū)動(dòng)電平”是晶體單元在工作時(shí)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(dòng)電平的最大值，其隨頻率和操作模式的變化而變化。最好咨詢晶體單元供應(yīng)商，了解特定晶體單元允許的驅(qū)動(dòng)電平的最大值。超過給定晶體單元的最大驅(qū)動(dòng)電平可能導(dǎo)致操作不穩(wěn)定，老化速率增加，并且在某些情況下會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性損壞。驅(qū)動(dòng)電平可以通過以下等式計(jì)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(shí)插入與晶體單元串聯(lián)的電阻器來實(shí)現(xiàn)對工作oscillator Crystal電路中的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電平的測量。電阻必須與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(jì)算電流和功耗。然后必須移除電阻器。作為測量驅(qū)動(dòng)電平的替代方法，如果空間允許，可以在晶體單元的輸出引線處使用電流探針。
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