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决定晶体振荡器电路设计成败的7个关键因素

发布时间: 2020/2/10 13:45:14 | 30 次阅读

一个成功的晶体振荡器电路设计需要包括:串联电路、、负载电容、并联电路、驱动等级、频率与模式、设计注意事项、负电阻这7个关键因素。今天,小编将介绍振荡器设计的基础知识以及出色的晶体振荡器电路设计的7个关键组件。


一、什么是晶体振荡器电路?
晶体振荡器电路由放大器和反馈网络组成。反馈网络从放大器获取特定输出,然后将其发送回放大器输入。绘制出来时看起来很简单。
但是越深入,复杂性就越大。紧紧抓住!为了使晶体振荡器电路有效运行,必须满足两个关键条件:
(1)环路功率增益必须等于一致;
(2)环路相移必须等于0、2Pi,4Pi等弧度。
引导回放大器输入的功率必须足以提供放大器输入,振荡器的成品率并克服电路损耗。
振荡器的精确频率由振荡器电路内的环路相移确定。相移的任何变化都将导致频率变化。减少净相移的最佳方法之一是在反馈环路中使用石英晶体。我们在Bliley这里制造的所有晶体都包括石英晶体(石英晶体振荡器)。
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当在振荡器的反馈环路中使用石英晶体时,振荡器的频率输出实际上会对其进行调节。石英晶体产生的电抗满足相环要求。

足以充分理解晶体振荡器设计的基础。让我们继续进入晶体振荡器电路设计的7个主要考虑因素。


二、晶体振荡器电路设计的7个主要注意事项
1.串联电路
串联电路晶体振荡器使用设计为以其自然谐振频率工作的晶体。对于这种类型的电路,在反馈回路中不需要电容器。串联谐振振荡器电路是相当基本的,并且由于其元件数量少而通常被使用。
串联电路可以提供除通过晶体以外的反馈路径。这意味着即使在晶体故障期间,电路也可能继续以主观频率振荡。
串联电路的一个重大缺陷是,如果系统需要修改,则无法调整输出频率。串联谐振晶体的设计具有最佳的频率,容差和稳定性,并且无需调整即可固定。
2.负载电容
负载电容可以在振荡器电路设计中发挥关键作用。在下一个设计注意事项中,您将看到一个负载电容重要性的示例,但现在,让我们仔细研究一下负载电容本身。
负载电容被描述为在电路中晶体端子两端测量或计算的电容量。
对于串联电路,晶振电路的连接点之间没有电容。因此,电路中没有负载电容。并联电路则是另一回事。

要确定并联电路中的负载电容(在设计考虑因素3中进行了描述),请使用以下便捷公式:

    

在该公式中,LC1和LC2代表负载电容器。Cs是电路游荡电容(通常在3至5pF之间)。
3.并联电路
并联谐振振荡器电路是用晶体设计的,该晶体可以在特定的负载电容下工作。这会导致晶体振荡器以高于串联谐振频率但低于真正的并联谐振频率的频率工作。
为了完成这种类型的电路中的反馈环路,必须设计通过晶振的路由。如果晶体失效,电路将不再振荡。
那么确定振荡器频率的“负载电容”从何而来呢?该电路实际上使用了一个孤立的逆变器,该逆变器在反馈环路中具有两个电容,这些电容包含了负载电容。如果负载电容改变,振荡器产生的频率也会改变。
话虽如此,需要注意的是,如果需要调整,这种电路类型对于轻松调整频率而言并不理想。此外,还需要精确的频率控制和负载电容的精确规范。
例如,如果将一个容量为20pF的20MHz晶体放置在评估值为30pF的电路中,则该晶体将低于指定值。但是,如果电路的评估值仅为10pF,则频率将高于指定值。
4.驱动等级
驱动电平是晶体在工作时消耗的电量。功率通常以毫瓦或微瓦来描述。
将石英晶体指定为驱动电平的特定最大值,该最大值会影响振荡器的频率和工作模式。与您的晶体振荡器供应商合作,确定石英振荡器可以承受的最大驱动水平非常重要。
那么,如果晶体振荡器超过最大驱动电平会怎样?
(1)可能导致振荡器变得不稳定
(2)加快年龄
(3)导致关键应用中的通信或时间丢失。
要计算晶体的驱动电平,请使用以下方程式(基本上只是欧姆定律,但要考虑功率)。
驱动等级=(有效值?xR)
Irms=测得的流经石英晶体的均方根电流
R=石英晶体的最大电阻
要测量晶体振荡器电路的实际驱动电平,可以在晶体电路中插入一个电阻。然后可以读取电阻两端的压降,以计算电流和功耗。当然,请确保在此测量之后将电阻器移除。
5.频率与模式
晶体振荡器的频率可能受到物理尺寸的限制。有时,这可能是某些应用程序的长度和宽度。其他时候,它可能是石英晶体本身的厚度。石英晶片越薄,频率越高。石英晶片的厚度通常太薄,以至于无法在30MHz左右的水平上进行处理。
如果需要频率高于极限频率的振荡器,则可以利用“基本频率”。基本频率是“由整个物体的振动产生的最低频率,与较高频率的谐波不同。”如果晶体的基本频率为10MHz,它也可能以基本频率的3、5、7等振荡。因此,振荡器可以在30MHz,50MHz,70MHz等频率下振荡。这是频率的泛音。
当需要使用泛音频率时,晶体制造商必须将晶体设计为以所需的泛音频率工作。切勿尝试订购基本模式晶体,然后在另一个所需的泛音下操作它,因为基本晶体和泛音晶体的晶体制造工艺不同。
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6.设计注意事项
为了使振荡器电路达到最佳工作状态,应遵循一些设计注意事项。始终建议的一件事是在电路中避免并行走线。这样做会减少杂散电容。所有走线应保持尽可能短,以防止耦合。通过使用接地层使组件保持隔离也可以帮助实现这一点。
7.负面抵抗
必须设计振荡器以增强“负电阻”以获得最佳性能。负电阻通常也称为“振荡余量”。
这是6个简单步骤,可帮助您计算振荡器电路中的负电阻
(1)临时安装与晶体串联的可变电阻器
(2)将电阻设置为最低设置(接近零欧姆)
(3)接通振荡器电源并监控示波器的输出
(4)随着您不断监视示波器信号,开始使用可变电阻器增加电路中的电阻
(5)一旦振荡停止,请记下可变电阻以确定欧姆值
(6)将晶体的最大电阻值(由供应商指定)与步骤5中测得的欧姆值相加
计算出的总值为“负电阻”或“振荡余量”。根据一般经验,为了可靠,负电阻应至少为晶体规定最大电阻值的5倍。

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