晶體振蕩器如何讓數(shù)字電子裝置同步化

大多數(shù)您所設(shè)計(jì)或使用的電子系統(tǒng)，都具有一或多個(gè)振蕩器來提供頻率以進(jìn)行同步運(yùn)作，作為頻率參考或?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的定時(shí)。本文將討論石英晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)，以及一些可用的選擇。

在以微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，存在著數(shù)種不同的頻率訊號(hào)，用于執(zhí)行指令、將數(shù)據(jù)移入和移出內(nèi)存，以及外部通訊接口。

一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式控制器可能擁有幾 MHz 的時(shí)鐘頻率，而個(gè)人計(jì)算機(jī)中的微處理器通常預(yù)期會(huì)有 15 MHz 的輸入頻率。這將在內(nèi)部倍數(shù)增加，以提供 CPU 和其他子系統(tǒng)的頻率。系統(tǒng)中的其他組件可能都各有自己的頻率要求。例如，以太網(wǎng)絡(luò)控制器需要 25 MHz 的頻率，或?qū)崟r(shí)頻率 (RTC) 需要 32.768 kHz。

射頻 (RF) 系統(tǒng)需要準(zhǔn)確的頻率參考，以實(shí)現(xiàn)端對(duì)端通訊并可過濾不需要的訊號(hào)和噪聲。

關(guān)鍵振蕩器特性

除了提供指定頻率的基本需求外，依據(jù)您的產(chǎn)品應(yīng)用，振蕩器可能還必須滿足其他需求。

例如，許多產(chǎn)品應(yīng)用需要極為精確定義的頻率。對(duì)于需要透過序列或無線接口與其他裝置進(jìn)行通訊的系統(tǒng)而言，這尤其重要。準(zhǔn)確度通常以百萬分之一 (ppm) 為單位進(jìn)行測(cè)量。

針對(duì)手持或電池供電的設(shè)備而言，擁有低功耗是十分重要的。對(duì) RTC 來說尤其如此，因?yàn)榧词乖诘凸幕虼龣C(jī)模式下，電路的此一部分也將始終處于有效狀態(tài)。

最后，您可能需要考慮例如操作環(huán)境、成本和外形尺寸等各種因素。

完美諧振

任何振蕩器都使用某種諧振或微調(diào)電路，搭配放大和回饋來產(chǎn)生特定頻率輸出。

微調(diào)電路可以電阻電容 (RC) 或電感電容 (LC) 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。這些裝置較為簡(jiǎn)單，且能在寬廣的范圍內(nèi)變更頻率。不過，設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確的 RC 或 LC 振蕩器，需要使用昂貴的精確組件。即便如此，它們也無法滿足許多產(chǎn)品應(yīng)用所要求的最高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

晶體 (通常為石英) 也可以作為諧振組件。將晶體切割為兩個(gè)平行的晶面，并在其上沉積金屬接點(diǎn)。石英具有壓電效應(yīng)，代表將該晶體置于壓力下時(shí)，其晶面會(huì)產(chǎn)生電壓。相反地，在晶體上施加電壓時(shí)，晶體亦會(huì)改變形狀。

這種回饋會(huì)使晶體以其自然諧振頻率進(jìn)行振蕩。這將由晶體的尺寸及其切割方式?jīng)Q定。最常見的裁切方式稱為 AT。這可以用于很廣泛的頻率范圍，并具有良好的熱穩(wěn)定性。

晶體諧振器具備很高的質(zhì)量 (Q) 因子，這代表頻率是精確定義且非常穩(wěn)定，因此晶體可用作低成本、高準(zhǔn)確度振蕩器的基礎(chǔ)。

圖1 晶體結(jié)構(gòu)及等效電路

晶體諧振器結(jié)構(gòu)和等效電路如圖 1 所示。值 Cp 代表兩個(gè)平行電極的電容。組件 Ls、Rs 和 Cs 代表晶體的機(jī)械屬性 (質(zhì)量、內(nèi)摩擦和彈性)。

等效電路表示存在兩種可能的諧振頻率：一種是由于 Ls 和 Cs 串聯(lián)所引起，另一種則是由于 Cp 與電感并聯(lián)所引起。

串聯(lián)諧振定義算式：

并聯(lián)諧振頻率算式：

這兩個(gè)頻率之間的距離通常小于 1%，且振蕩器電路

定義使用哪種諧振模式。大多數(shù)振蕩器使用并聯(lián)模式。

對(duì)于約 75 MHz 以上的高頻率而言，晶體可以基礎(chǔ)頻率或泛音的倍數(shù)進(jìn)行振蕩。

振蕩器電路

振蕩器電路通常會(huì)整合到需要頻率訊號(hào)的裝置內(nèi)。例如，許多微控制器和類似裝置都有兩個(gè)接腳，您可以在上面簡(jiǎn)單地連接一個(gè)晶體和一對(duì)陶瓷電容器來完成電路。

圖2 振蕩器組件和雜散電容

電路的總負(fù)載電容 (CL) 需要與晶體的指定 CL 相符。這是由陶瓷電容器加上晶體封裝、振蕩器輸入接腳和電路板線路的任何雜散電容組成。

要準(zhǔn)確計(jì)算電路中的所有雜散電容和寄生電容并不容易，因此您可以先進(jìn)行預(yù)估 (通常在 4 至 6 pF 左右)，然后測(cè)量輸出頻率，以查看是否需要調(diào)整電容器的值。

如果總 CL 大于指定 CL，將會(huì)降低振蕩頻率。如果 CL 太低，則頻率將更高。

如果 CL 的高低過于懸殊，則振蕩器可能根本無法啟動(dòng)。

圖3 振蕩器電路

您也可以使用晶體管或反向邏輯閘極作為回饋放大器，以建構(gòu)外部振蕩器電路，如圖 3 所示。但是，即使大多數(shù)晶體廠商都會(huì)提供設(shè)計(jì)指南，但設(shè)計(jì)高質(zhì)量振蕩器仍具有挑戰(zhàn)性；因此，購(gòu)買現(xiàn)成的振蕩器模塊可能更為簡(jiǎn)單。振蕩器模塊含一個(gè)晶體，以及包括負(fù)載電容器等所有需要的組件。這可以保證您以合理的價(jià)格獲得高效能振蕩器。您只需提供適合的電源供應(yīng)器即可。

圖4 晶體振蕩器模塊

對(duì)于以太網(wǎng)絡(luò)接口或無線通信系統(tǒng)等要求準(zhǔn)確和穩(wěn)定頻率的產(chǎn)品應(yīng)用，晶體振蕩器模塊是不錯(cuò)的選擇。

主題的變化

由于頻率會(huì)隨外部 CL 變化，使得建構(gòu)能在很小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出的晶體振蕩器成為可能。例如，這在接收器需要調(diào)整自己的頻率以符合接收訊號(hào)的 RF 應(yīng)用中非常實(shí)用。

電壓控制晶體振蕩器 (VCXO) 使用稱為變?nèi)萜?(或變?nèi)荻O管) 的裝置作為負(fù)載電容器。變?nèi)萜鞯碾娙輹?huì)隨施加的控制電壓而變化，進(jìn)而改變振蕩頻率。

VCXO 的關(guān)鍵參數(shù)為「牽引率」，控制電壓范圍和頻率抖動(dòng)。

●   牽引率定義給定控制電壓變化時(shí)的頻率變化。較大的值表示振蕩器可以在較大的范圍內(nèi)運(yùn)作，但是較小的值表示較佳的穩(wěn)定性和較低的相位噪聲。最大調(diào)整范圍通常約為 +/-200 ppm。

●   控制電壓通常為 0 V 至 2 或 3V。

●   頻率抖動(dòng)會(huì)高于固定頻率振蕩器，尤其是在限制狀態(tài)運(yùn)作時(shí)調(diào)整范圍的極端情況下。

如果您在操作溫度范圍內(nèi)要求的穩(wěn)定性，比普通晶體振蕩器所能提供的更大，則可能需要使用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 (TCXO)。這些也可以作為具有廣泛參數(shù)的現(xiàn)成模塊來提供。

TCXO 包含一個(gè)測(cè)量環(huán)境溫度，然后產(chǎn)生控制電壓以調(diào)整 VCXO 頻率的電路，以補(bǔ)償溫度變化所產(chǎn)生的影響。TCXO 會(huì)根據(jù)晶體的溫度頻率響應(yīng)曲線計(jì)算所需的控制電壓。

TCXO 模塊通常也包括自己的穩(wěn)壓器，因此振蕩器不會(huì)受外部供應(yīng)電壓變化的影響。

結(jié)論

石英晶體提供高度準(zhǔn)確、穩(wěn)定且低成本的頻率參考。

晶體和晶體振蕩器具有廣泛的參數(shù)和實(shí)作方式，以滿足您的產(chǎn)品應(yīng)用需求。

許多裝置都整合振蕩器電路，使設(shè)計(jì)過程變得非常簡(jiǎn)單。

作為替代方案，特別是如果需要更高質(zhì)量的頻率時(shí)，便可以使用晶體振蕩器模塊。與整合式振蕩器相比，它們通常具有更高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。模塊也可提供電壓控制頻率或溫度補(bǔ)償。