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有源晶振电路中的反相器

发布时间: 2022/6/6 15:54:36 | 339 次阅读

半导体行业中常用的晶体振荡器电路是一种有源晶振。由于本身自带电源的石英晶体振荡器,便于在IC中实现、具有非常好的稳定性、高Q因子(从10000到数十万)和低制造成本,因此它在设计人员当中zui受欢迎。

石英晶体振荡器主要由充当放大器(增益级)的逻辑门反相器、反相器输入输出之间的反馈电阻器以及外部晶振组件构成,如图1所示。这种布局称为并行谐振电路。任何提供振荡的电路都必须满足巴克豪森的稳定性标准:也就是说,环路增益幅度应当等于振荡频率的整数,而围绕环路的相移应当为0或者是2π的整数倍。

图1并行谐振电路

接下来,我们先一一了解下个别模块及其功能。倒相放大器与反馈电阻器:反相器模块是一种可用作数字集成电路基本构件的简单CMOS逻辑非门。在传统模式中其传输特性为非线性,如图2所示。通常CMOS反相器的设计使反相器在接近电源电压的1/2处能够提供zui大增益。在设计过程中通过调整P-MOS与N-MOS的大小可以实现上述目标。在上述zui大增益范围内,逻辑非门开始充当放大器的作用。不过,离开外部组件的帮助其无法单独放大任何信号。反相器自身可以提供180°的相移。另外180°相移必须由外部组件提供。

当反相器输入与输出端子之间连接反馈电阻器(Rf)时,它把自身偏置到Vin=Vout的位置。振荡器电路中所用的反相器可以确保反相器偏置点及其zui大增益接近一半的电源电压。因此,所使用的反馈电阻器可以克服反相器的非线性,同时可以把简单逻辑门转换成模拟放大器。此放大器可以帮助克服在电路中使用的晶振的损失。所使用的Rf值取决于电路设计用于的操作频率。
一般情况下是在设计阶段确定贴片型石英晶体振荡器电路的zui低与zui高振荡频率范围。操作频率较低时的Rf值比操作频率较高时要高。介于20MHz~40MHz之间的操作频率一般采用450KΩ的Rf。当反相器连接zui佳的反馈电阻值,如果反相器输入弱信号,则倒相放大器可以在输出提供相当大的变换,从而提供大于1的环路增益并达到巴克豪森标准。电阻Rs被称为驱动限流电阻器,因为它用于限制反相器的输出,以确保晶振不会被过度激励。但是,较大的Rs值会延长晶振的启动时间;Rs的值越小,则振荡器启动越快。因此,设计人员必须选择zui佳值,以便在晶振不会被过度激励的同时提供足够的电流以启动振荡。
另外它还有助于把输出驱动器与CL1、CL2及晶振产生的复杂阻抗进行隔离。在某些高频振荡器中,其取值也可以为0。晶振制造商通常会提供石英晶振的zui高驱动电容。在把晶体用于石英晶体振荡器之前应当慎之又慎,因为过度激励可能导致晶振加快老化。
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