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晶體振蕩電路設(shè)計

在本文中我們將討論我們推薦的晶體振蕩電路，解釋電路中每個元器件的作用并為這些元件的標稱值得選擇提供指導(dǎo)。最后, 我們將提供一些建議以避免不穩(wěn)定及起振的問題。





圖1，表示了晶體的等效電路。R是串聯(lián)等效電阻，L和C是晶體的動態(tài)電感和電容。Cp是由晶體電極產(chǎn)生的旁路電容。圖2，表示了晶體的電抗/頻率關(guān)系曲線。當晶體工作在串聯(lián)諧振區(qū)間，它可以被當作純阻性，而且電感和電容的電抗值相等（XL=XC）。串聯(lián)諧振頻率由下面的公式計算：


當晶體工作在并聯(lián)諧振模式時，它就表現(xiàn)為電感性。此模式下的工作頻率是由晶體的負載決定的。晶體的生產(chǎn)廠商會定義晶體并聯(lián)諧振的負載電容CL （loadcapacitance）。在此模式下振蕩頻率由下面的公式計算：


在并聯(lián)諧振模式下，通過改變晶體的負載可以使晶體在圖2所示的電抗曲線的fs-fa區(qū)間的任意位置振蕩。我們的晶體振蕩電路推進使用并聯(lián)諧振模式的晶體。
圖3是推進的晶體振蕩電路圖。這種電路中使用的晶體都要求是并聯(lián)諧振模式的晶體。電路內(nèi)部的反相電路就像一個AB類的放大器并且提供大約180度的相位轉(zhuǎn)換。由R1，C1，C2
構(gòu)成的派型網(wǎng)絡(luò)提供另外的180度相位轉(zhuǎn)換。因此整個環(huán)路的相位轉(zhuǎn)換為360度。這滿足了持續(xù)振蕩的一個條件。另一個條件是，為了適合起振和持續(xù)振蕩電路的閉環(huán)增益要求大于等于1。
電阻Rf提供負反饋而且它會設(shè)置反相器在高增益線性區(qū)間的中間電平的偏置點。這個電阻的阻值很高，通常阻值范圍是500K~2M。


電容C1和C2構(gòu)成了晶體的負載電容。最優(yōu)化的負載電容值CL是由晶體的生產(chǎn)廠商提供的。下面是計算C1和C2的公式：


Cs是PCB上的寄生電容，計算得典型值是5pF。所以根據(jù)上式就可以獲得滿足公式的C1和C2。通常會將C1和C2選擇為等值（采購備料方便）。C1和C2值越大頻率振蕩越穩(wěn)定，但是會減小閉環(huán)增益從而帶來起振的問題。
R1是驅(qū)動限流電阻。這個電阻的基本功能是限制反相器的輸出使晶體避免過驅(qū)動。R1和C1構(gòu)成了一個分壓電路，我們根據(jù)使反相器的輸出是接近100%電平范圍，而反相器的輸入是60%電平范圍來選擇這個分壓電路。通常的經(jīng)驗是使R1的電阻與C1在振蕩頻率上的電抗相等，也就是R1≈XC1。這使反相器的輸入等于反相器的輸出的一半。我們總是要更加廠家的規(guī)格書來考慮晶體自身的電源耗散。對晶體的過驅(qū)動會導(dǎo)致晶體的失效。
在理想的狀況下反相器會提供180的相移，但是在實際的情況下反相器會有傳輸延遲，這也會帶來附加的相移。為了確保整個閉合網(wǎng)絡(luò)的相移是n180度。派型網(wǎng)絡(luò)就應(yīng)該提供小于180度的相移。R1就可以做到這些。當選擇了固定的C1和C2后，通過改變R1就可以調(diào)整閉環(huán)增益和相位。如果以上的兩個條件都滿足，R1可以省略。
有些IC在封裝內(nèi)部已經(jīng)包含了這些外圍元件（Rf，R1，C1和C2），也就給電路設(shè)計者避免了麻煩。
要點：
選擇低串聯(lián)等效電阻（ESR）的晶體，這有助于電路起振。低ESR還會提供閉環(huán)增益。
通過縮短PCB的走線，減少板級的雜散電容。這對持續(xù)穩(wěn)定振蕩和電路起振都有幫助。
測試電路在工作時的溫度和電壓范圍以確保晶體起振和持續(xù)振蕩。
為獲得最佳的效果，晶體振蕩電路的設(shè)計者應(yīng)該使時鐘反相器的輸入電平峰峰值大于40%Vdd。插裝的晶體通常不能滿足這個要求。
為了優(yōu)化R1，推薦先計算C1和C2。然后，使R1≈XC1。



frm說：CL（load capacitance)是晶體的一個重要參數(shù)，它是由晶體廠商在規(guī)格書中提供的。只有了解了這個參數(shù)我們才能計算電路中的負載電容值。大家要牢記CL的計算公式。





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