石英晶體振蕩器是一種產生重復或周期性時變信號的電子電路.在微控制器系列1或無線SoC系列1設備,該振蕩器信號用于對設備中指令和外設的執行進行時鐘控制.收音機通信振蕩器還為轉換器提供精確的低噪聲頻率參考.有多種方式產生這樣一個信號,每個信號具有影響工程成本,電路板尺寸和時鐘信號穩定性的不同特性.
RC振蕩器
RC振蕩器由電阻,電容和反相放大器構成.它們成本低,啟動時間短,但是通常不太精確并且產生更多的噪聲.單片機系列1或無線SoC系列1設備提供多個內部諧振電路,包括一個高頻諧振電路和一個低頻諧振電路lator(LFRCO).雖然內部RC振蕩器將確保微控制器系列1或無線SoC系列1設備的正常工作,它們不適用于無線電通信等應用.
晶體振蕩器
晶體振蕩器利用晶體的機械振動來產生時鐘信號.由于水晶的分子組成-這種類型的振蕩器在很寬的溫度范圍內非常精確和穩定.這最常用的晶體是石英晶振.生產石英晶體需要非常穩定的溫度和壓力條件幾周之后.這使得晶體振蕩器比RC振蕩器更貴.
1.1壓電性
石英晶體具有直接的壓電特性.這意味著外加電場會導致晶體變形.相反,a晶體的變形會在端子上產生電壓.一旦振蕩器啟動,終端上不斷變化的電壓-振動晶體的nals用作時鐘信號.
1.2振蕩器的基本原理
圖1.1.簡化反饋振蕩器環路
石英晶體振蕩器背后的原理是滿足巴克豪森條件的正反饋環路:如果閉環增益大于團結和總相位滯后是360,最終的閉環系統是不穩定的,將自我加強.這是必要的,但不是存在振蕩的充分條件.當滿足必要條件時,振蕩器中的任何干擾(噪聲)將導致振蕩開始.滿足巴克豪森條件的頻率放大最多,因為它與原始信號.
初始振蕩非常微弱,需要時間將信號放大到所需的幅度.當振蕩建立時,只需要少量的能量來補償電路中的損耗.數學上,需要閉環增益為1保持穩態振蕩.微控制器系列1或無線SoC系列1依賴于由控制的可調電流源自動增益控制器,以實現并保持所需幅度.
第4頁的圖2.1簡化反饋振蕩器環路顯示振蕩器電路由兩部分組成;放大階段以及決定哪個頻率經歷360°相位滯后的濾波器.在晶體振蕩器的情況下,濾波器由晶體組成和外部負載電容器.
1.2.1啟動時間
閉環增益的大小對啟動時間有很大影響.高增益時,信號必須減少了在環路周圍傳播以達到期望的振幅.對于快速啟動,高增益是首選.出于同樣的原因,振蕩頻率會影響啟動時間在千赫范圍內的晶振會有相當長的時間啟動時間比MHz范圍內的晶體長,因為循環環路所需的時間更長.微控制器的典型啟動時間系列1或無線SoC系列1對于低頻振蕩器為200-400毫秒,對于高頻振蕩器為200-400毫秒.
1.3晶體建模
晶體可以用第5頁圖2.2晶體的等效電路來描述.
圖2.2.晶體的等效電路
CS是運動電容.它代表從晶體位移中獲得的壓電電荷.
RS是運動阻力.它代表晶體中的機械損耗.
LS是運動電感.它代表晶體中的運動質量.
C0是電極之間的分流電容和外殼的雜散電容.
對于低頻,等效電路將呈現容性行為,如圖2.3電抗與頻率的關系所示在第5頁.隨著頻率的增加,電感的存在變得更加明顯,電抗也隨之增加.忽略并聯電容C0,串聯諧振頻率定義為電感器和電容器的電抗抵消的頻率.在這個頻率-頻率貼片晶振看起來只是電阻性的,沒有相移.因此,串聯諧振頻率決定了CS的值和LS,可以用下面的公式計算.串聯諧振頻率是自然諧振頻率,其中機械能和電能之間的能量轉換最有效.
圖1.3.電抗與頻率的關系
在更高的頻率下,等效電路將呈現電感性,這意味著更高的阻抗.當感抗從晶體抵消了并聯電容C0的容抗,存在零相移的另一個石英晶體諧振器諧振頻率.這頻率被稱為反諧振頻率fA.在此頻率下,阻抗處于最大值.晶體中的電感并且分流電容將相互饋送并且獲得最低可能的電流消耗.
fS和fA之間的頻率范圍稱為平行諧振區域,是晶體正常振蕩的地方.在諧振頻率,反饋環路中的相位滯后由一個具有180°相位滯后的放大器和兩個具有組合180°相位滯后.實際上,放大器提供略高于180°的相移,這意味著晶體必須出現略微歸納以滿足巴克豪森標準.
1.3.1串聯和并聯諧振晶體
并聯諧振晶體需要容性負載以指定頻率振蕩,這是所需的諧振模式MCU系列1或無線SoC系列1設備.在MCU系列1或無線SoC系列1設備上,負載電容位于片內,它們的值可以由固件控制.因此,MCU系列1或無線SoC系列1設備不需要外部設備加載電容,降低材料成本,節省印刷電路板空間.并聯諧振晶體的精確振蕩頻率可以計算出來與下面的等式相關,其中CL是晶體看到的負載電容.因此,CL是一個重要的設計參數在平行諧振晶體數據表中給出.
物理上串聯和并聯諧振晶體沒有區別.串聯諧振晶體被指定在晶體無電抗出現的串聯諧振頻率.因此,外部電容不應表現為這將把振蕩頻率降低到低于自然諧振頻率.這些石英晶體振蕩器旨在用于具有以下特性的電路沒有振蕩器電路提供360°相移的外部電容.
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