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有源晶振电路图

时间:2021-06-18 来源:SJK


我们要如何才能设计一个高效的有源晶振电路图,我们首先要了解什么是有源晶振电路?这个是属于有源晶振的基础知识。有源晶振电路由一个放大器和一个反馈网络组成。反馈网络从放大器获得特定的输出,并将其送回放大器的输入。它在画出来的时候看起来相当简单(如下图所示,Amplifier:放大器,Feedback Network:反馈网络)

有源晶振的结构


但越往深处走,就越复杂。

晶体振荡器电路要有效运行,必须满足2个关键条件:

1.     环路功率增益必须等于齐音

2.     环路相移必须相当于02Pi4Pi等弧度.

引导回放大器输入的功率必须足以供应放大器输入、振荡器产量,并克服电路损耗.

振荡器的精确频率是由振荡器电路内的环路相移决定的。相移的任何变化都会导致频率的变化。减少净相移的最佳方法之一是在反馈回路中使用石英晶体。

当石英晶体被用于振荡器的反馈回路时,振荡器的频率输出实际上是自我调节的。石英晶体创造了一个满足相位环路要求的电抗.

晶体振荡器电路设计的7个关键考虑因素

1.     串联电路

串联电路晶体振荡器使用被设计为在其自然谐振频率下工作的晶体。这种类型的电路在反馈回路中不需要电容。串联谐振振荡器电路是相当基本的,由于其元件数量少,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。这意味着电路可以继续以主观的频率振荡......甚至在晶体失效期间也是如此.

串联电路的一个显著缺点是,如果系统需要修改,你不能调整输出频率。串联谐振晶体是按照首选的频率、容差和稳定性设计的,并且不需要选择调整就能保持.

2.     负载电容

负载电容在振荡器电路设计中可以发挥关键作用。你会在下一个设计考虑中看到一个关于负载电容重要性的例子,但现在,让我们仔细看看负载电容本身.

负载电容被描述为在电路中的晶体终端上测量或计算的电容量.

说到串联电路,晶体电路的连接点之间没有电容。因此,电路中没有负载电容。对于并联电路来说,情况就不同了.

要确定并联电路中的负载电容,使用这个方便的方程式.

负载电容计算公式

在这个方程中,LC1LC2代表负载电容。Cs是电路的流浪电容(通常在35 pF之间).

3.     并联电路

并联谐振电路是用一个晶体来设计的,这个晶体被设计成在特定的负载电容下工作。这导致晶体振荡器的工作频率高于串联谐振频率,但低于真正的并联谐振频率.

为了完成这种类型的电路的反馈回路,你必须设计通过晶体的路线。如果晶体失效,电路将不再振荡.

那么,决定振荡器频率的 "负载电容 "从何而来?这个电路实际上使用了一个单独的变频器,在反馈回路中有两个电容,包括了负载电容。如果负载电容改变,振荡器产生的频率也会改变.

说到这里,需要注意的是,如果需要调整的话,这种电路类型并不适合于轻松调整频率。另外,需要精确的频率控制和精确的负载电容规格.

例如,如果一个容量为20 pF20 MHz晶体被放置在一个评估为30 pF的电路中,那么晶体将低于规定值。然而,如果该电路的评估值只有10 pF,那么频率将高于规定值.

4.     驱动功率

驱动电平是指晶体在工作时消耗的功率大小。功率通常以毫瓦或微瓦来描述.

石英晶体被指定为一个特定的最大驱动电平值,可以影响振荡器的频率和操作模式。与你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是很重要的.

那么,如果晶体振荡器超过了最大驱动水平会发生什么?它可能导致振荡器

1)     变得不稳定

2)     加快老化率

3)     导致关键应用中的通信或计时损失

要计算晶体的驱动电平,请使用这个公式(基本上只是欧姆定律,但对功率而言).

Drive Level = (Irms2 x R)

Irms = 通过石英晶体的测量均方根电流
R =
石英晶体的最大电阻

为了测量晶体振荡器电路的实际驱动电平,你可以在晶体电路中插入一个电阻。然后可以读取电阻上的压降来计算电流和功率耗散。当然,要确保在这次测量后将电阻移走.

5.     频率和模式

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。石英晶圆越薄,频率就越高。石英晶圆的厚度通常在30MHz左右会变得太薄,无法处理.

如果需要一个频率高于极限频率的振荡器,可以利用 "基频"。基频是 "由一个物体的整体振荡产生的最低频率,与更高频率的谐波不同"。如果一个晶体的基本频率是10兆赫,它也可以以357等倍的基本频率进行振荡。因此,振荡器可以在30MHz50MHz70MHz等频率下振荡。这些都是该频率的泛音.

当需要使用泛音频率时,晶体制造商必须将晶体设计成在所需的泛音频率下工作。千万不要试图订购一个基频模式的晶体,然后用另一个所需的泛音来操作,因为基频晶体和泛音晶体的制造工艺是不同的.

6.     设计考虑因素

为了实现最佳的振荡器电路操作,应该遵循一些设计上的考虑。有一点一直被推荐的是,在电路中应避免使用平行线。这样做可以减少杂散电容。所有线路应尽可能地短,以防止耦合。通过使用地平面来保持元件的隔离,也可以对此有所帮助.

7.     负电阻

振荡器的设计必须加强 "负电阻 "以获得最佳性能。负电阻也经常被称为 "振荡津贴".

这里有6个简单的步骤来帮助你计算振荡器电路中的负电阻

1)     暂时将一个可变电阻器与晶体串联起来

2)     将电阻调到最低设置(接近零欧姆)

3)     给振荡器通电,在示波器上监测输出

4)     当你持续监测示波器信号时,开始使用可变电阻增加电路中的电阻

5)     一旦振荡停止,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中测量的欧姆值相加

这个计算出来的总值就是 "负电阻 " "振荡余量"。作为一般的经验法则,负电阻应至少是晶体规定的最大电阻值的5倍才可靠。

以上就是我们晶科鑫在有源晶振电路上设计上的一个建议,希望大家在设计振荡器电路上少走弯路,能够更快的完成晶振产品电路上的设计与产品相匹配。


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