浅谈石英晶体与石英晶体振荡器

2019-06-04 16:19:55 麦巧娜

       一般影响振荡器频率稳定性的因素:温度变化、负载变化以及直流电源电压的变化等等。选择合适的谐振反馈电路元件,包括放大器,可以大大提高输出信号的频率稳定性。但是,从普通LC和RC谐振电路可以获得的稳定性是有限度的。

石英晶体振荡器

石英晶体振荡器

       为了能让振荡器在稳定的情况下保持高精度,通常用石英晶体来做频率确定设备,以产生另一种通常称为石英晶体振荡器(XO)的振荡器电路。当电压施加到一小块石英晶体上时,它开始改变形状,产生一种称为压电效应的特性。这种压电效应是晶体的特性,通过这种特性,电荷通过改变晶体的形状来产生机械力,反之亦然,施加到晶体上的机械力会产生电荷。然后,压电设备可以归类为换能器,因为它们将一种能量转换为另一种能量(电到机械或机械到电)。这种压电效应会产生机械振动或振荡,可用于替代以前振荡器中的标准LC谐振电路。

       有许多不同类型的晶体物质可以用作振荡器,其中最重要的电子电路都使用石英晶体,很大部分原因是石英晶体具有更高的机械强度。

       石英晶体振荡器中使用的石英晶体是一块非常小的、薄的石英切割片或晶片,其两个平行表面被金属化以进行所需的电连接。一块石英晶体的物理尺寸和厚度受到严格控制,因为它会影响振荡的最终频率或基本频率。基频一般称为晶体的“特征频率”。一旦切割和成型,晶体就不能在任何其他频率下使用。换句话说,石英晶体的大小和形状决定了石英晶体振荡器的基本振荡频率。

       晶体特征或特征频率与其两个金属化表面之间的物理厚度成反比。晶体机械振动可以用等效电路表示,该电路由低电阻R、大电感L和小电容C组成,如下所示。

石英晶体等效模型

石英晶体等效模型

       石英晶体的等效电路显示了一个串联RLC电路,它代表晶体的机械振动,与一个电容并联,Cp代表与晶体的电气连接。石英晶体振荡器倾向于朝着它们的“串联谐振”运行。

       晶体的等效阻抗具有串联谐振,其中Cs在晶体工作频率下与电感Ls谐振。该频率称为晶体系列频率ƒs。除了这个串联频率,当Ls和Cs与并联电容器Cp谐振时,由于并联谐振而建立了第二个频率点,如图所示。

晶体阻抗对频率

晶体阻抗对频率

       上面晶体阻抗的斜率表明,随着频率在其端子上增加。在特定频率下,串联电容器Cs和电感器Ls之间的相互作用创建了一个串联谐振电路,将晶体阻抗降低到最小值并等于Rs。这个频率点称为晶体串联谐振频率ƒs,低于ƒs的晶体是电容性的。

       当频率增加到高于该串联谐振点时,晶体的行为就像一个电感器,直到频率达到其并联谐振频率ƒp。在这个频率点,串联电感Ls和并联电容Cp之间的相互作用形成了一个并联调谐LC谐振电路,因此晶体两端的阻抗达到其最大值。

       然后我们可以看到石英晶体是串联和并联调谐谐振电路的组合,以两种不同的频率振荡,两者之间的差异非常小,这取决于晶体的切割。此外,由于晶体可以在其串联或并联谐振频率下工作,因此需要将晶体振荡器电路调谐到一个或另一个频率,因为您不能同时使用这两种频率。

       因此,根据电路特性,石英晶体可以用作电容器、电感器、串联谐振电路或并联谐振电路,为了更清楚地说明这一点,我们还可以绘制晶体电抗与频率的关系,如图所示。

晶体对频率的电抗

晶体对频率的电抗

       电抗对频率的斜率表明,频率ƒs处的串联电抗与Cs成反比,因为低于ƒs和高于ƒp晶体出现电容性。在频率ƒs和ƒp之间,晶体呈现电感性,因为两个并联电容相互抵消。

       然后晶体串联谐振频率的公式,ƒs给出为:

串联谐振频率

串联谐振频率

       当串联LC支路的电抗等于并联电容器的电抗Cp时,会出现并联谐振频率ƒp,其公式如下:

并联谐振频率

并联谐振频率

石英晶体振荡器示例No1

       石英晶体具有以下值:Rs=6.4Ω,Cs=0.09972pF和Ls=2.546mH。如果其端子上的电容Cp测量为28.68pF,计算晶体的基本振荡频率及其次级谐振频率。

晶体串联谐振频率,ƒs

晶体串联谐振频率,ƒs

晶体的并联谐振频率ƒp

晶体的并联谐振频率ƒp

       我们可以看到的区别ƒs,晶体的基频和ƒp小约18KHZ(10.005MHz - 9.987MHz)。然而,在此频率范围内,晶体的Q因数(品质因数)非常高,因为晶体的电感值远高于其电容或电阻值。我们的晶体在串联谐振频率下的Q因子为:

晶体振荡器Q因数

晶体振荡器Q因数

       那么我们的晶体示例的Q因子约为25000,这是因为XL/R比率很高。大多数晶体的Q因子在20000到200000之间,而我们之前看到的良好的LC调谐槽路电路远小于1000。这种高Q因子值还有助于晶体在其工作频率下具有更高的频率稳定性,使其成为构建晶体振荡器电路的理想选择。

       因此,我们已经看到石英晶体的谐振频率类似于电调谐 LC 谐振电路的谐振频率,但Q因子要高得多。这主要是由于其低串联电阻Rs。因此,石英晶体是用于振荡器,尤其是极高频振荡器的绝佳组件选择。

       典型的晶体振荡器的振荡频率范围可以从大约40kHz到超过100MHz,具体取决于它们的电路配置和所使用的放大设备。晶体的切割也决定了它的行为方式,因为一些晶体会以一种以上的频率振动,产生称为泛音的额外振荡。

       此外,如果晶体不是平行或均匀的厚度,它可能具有两个或多个谐振频率,其基频产生所谓的谐波和谐波,例如二次或三次谐波。

       通常,尽管石英晶体的基本振荡频率比它周围的二次谐波更强或更明显,因此这将是使用的频率。我们在上图中已经看到,晶体等效电路具有三个电抗元件、两个电容器和一个电感器,因此有两个谐振频率,最低的是串联谐振频率,最高的是并联谐振频率。

       我们在之前的教程中已经看到,如果放大器电路的环路增益大于或等于1并且反馈为正,则放大器电路将发生振荡。在石英晶体振荡器电路中,振荡器将以晶体基本并联谐振频率振荡,因为当施加电压源时晶体总是想要振荡。

       但是,也可以将晶体振荡器“调谐”到基频的任何偶次谐波(2nd、4th、8th 等),这些通常称为谐波振荡器,而泛音振荡器以基频的奇数倍振动、第 3、第 5、第 11 等)。通常,在泛音频率下工作的晶体振荡器使用它们的串联谐振频率来实现。

Colpitts石英晶体振荡器

       晶体振荡器电路通常使用双极晶体管或FET构成。这是因为尽管运算放大器可用于许多不同的低频 (≤100kHz) 振荡器电路,但运算放大器不具备在适用于1MHz以上晶体的较高频率下成功运行的带宽。

       一个设计晶体振荡器是非常相似的Colpitts振荡器的我们看着在前面的教程的设计,不同的是LC谐振电路,其提供所述反馈的振荡已经由石英晶体替换如下所示。

Colpitts晶体振荡器

Colpitts晶体振荡器

       这种类型的晶体振荡器是围绕一个公共集电极(发射极跟随器)放大器设计的。R1和R2电阻网络设在基部的DC偏置电平,而发射极电阻器[R Ë设置输出电压电平。电阻R2设置得尽可能大,以防止加载到并联晶体。

       晶体管2N4265是一种通用NPN晶体管,连接在公共集电极配置中,能够以超过100Mhz的开关速度运行,远高于大约 1MHz到5MHz之间的晶体基频。

       Colpitts晶体振荡器电路的上述电路图显示电容器C1和C2分流晶体管的输出,从而降低了反馈信号。因此,晶体管的增益限制了C1和C2的最大值。输出幅度应保持较低,以避免晶体中的过度功耗,否则会因过度振动而损坏自身。

皮尔斯振荡器

       石英晶体振荡器的另一种常见设计是皮尔斯振荡器。皮尔斯振荡器在设计上与之前的Colpitts振荡器非常相似,非常适合使用晶体作为其反馈电路的一部分来实现晶体振荡器电路。

       皮尔斯振荡器主要是一个串联谐振调谐电路(与Colpitts振荡器的并联谐振电路不同),它使用 JFET 作为其主放大设备,因为FET提供非常高的输入阻抗,晶体通过电容器C1连接在漏极和栅极之间,如如下所示。

皮尔斯晶体振荡器

皮尔斯晶体振荡器

       在这个简单的电路中,晶体确定振荡频率并以其串联谐振频率ƒs 工作,从而在输出和输入之间提供低阻抗路径。谐振有 180 o相移,使反馈为正。输出正弦波的幅度被限制在 Drain 端子的最大电压范围内。

       电阻器R1控制反馈和晶体驱动量,而射频扼流圈RFC在每个周期中反转。大多数数字时钟、手表和计时器以某种形式使用皮尔斯振荡器,因为它可以使用最少的组件来实现。

       除了使用晶体管和FET,我们还可以通过使用CMOS反相器作为增益元件来创建一个简单的基本并联谐振晶体振荡器,其操作类似于皮尔斯振荡器。基本的石英晶体振荡器由单个反相施密特触发器逻辑门(如 TTL 74HC19 或 CMOS 40106、4049 类型)、一个电感晶体和两个电容器组成。这两个电容决定了晶体负载电容的值。串联电阻有助于限制晶体中的驱动电流,并将逆变器输出与由电容-晶体网络形成的复阻抗隔离。

CMOS晶体振荡器

CMOS晶体振荡器

       晶体以其串联谐振频率振荡。CMOS反相器最初被反馈电阻器R1偏置到其工作区域的中间。这确保了反相器的 Q 点处于高增益区域。这里使用了一个 1MΩ 值的电阻器,但它的值并不重要,只要它大于 1MΩ。额外的反相器用于缓冲从振荡器到连接负载的输出。

       逆变器提供180o的相移,晶体电容器网络提供振荡所需的额外180o。CMOS晶体振荡器的优点在于,它总会自动重新调整自身保持这个360ø相移振荡。

       与之前基于晶体管的晶体振荡器产生正弦输出波形不同,由于 CMOS 反相振荡器使用数字逻辑门,因此输出是在高电平和低电平之间振荡的方波。自然,最大工作频率取决于所用逻辑门的开关特性。

微处理器晶体石英时钟

       如果不提及微处理器晶体时钟,我们就无法完成石英晶体振荡器教程。几乎所有的微处理器、微控制器、PIC和CPU通常都使用石英晶体振荡器作为其频率确定设备来产生时钟波形,因为我们已经知道,与电阻电容相比,晶体振荡器提供了最高的精度和频率稳定性,( RC)或电感电容,(LC)振荡器。

       CPU时钟决定了处理器运行和处理数据的速度有多快,时钟速度为 1MHz 的微处理器、PIC 或微控制器意味着它可以在每个时钟周期内每秒处理一百万次数据。通常,产生微处理器时钟波形所需的只是一个晶体和两个陶瓷电容器,其值在 15 到 33pF 之间,如下所示。

微处理器振荡器

微处理器振荡器

       大多数微处理器、微控制器和 PIC 有两个标记为OSC1和OSC2 的振荡器引脚,用于连接到外部石英晶体电路、标准RC振荡器网络甚至陶瓷谐振器。在这种类型的微处理器应用中,石英晶体振荡器产生一系列连续方波脉冲,其基频由晶体本身控制。该基频调节控制处理器设备的指令流。例如,主时钟和系统时序。

石英晶体振荡器示例 No2

       石英晶体切割后具有以下值,Rs = 1kΩ,Cs = 0.05pF,Ls = 3H和Cp = 10pF。计算晶体的串联和并联振荡频率。

       串联振荡频率为:

串联振荡频率

串联振荡频率

       并联振荡频率由下式给出:

并联振荡频率

并联振荡频率

       那么晶体的振荡频率将在411kHz和412kHz之间。

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