石英晶體振蕩器因極具高的性能,可靠性等特點,被廣泛使用在各種不同行業領域中.同步數字系統的出現,令不起眼的振蕩器成為基于微處理器的現代數字系統的核心.振蕩器的數千種應用創造了極其廣泛的振蕩器源及配置,并且采用流形諧振器結構.
盡管如此,由于諧振器和內部放大器種類繁多,若干種溫度穩定方案也不相同,因此在選擇OSC晶振時往往忽視了對其用途的充分了解.所有這些因素都會影響器件的尺寸,精度,穩定性和成本,以及它們在設計中的應用方式.本文將幫助設計人員更好地了解振蕩器的操作和結構,關鍵規格,以及如何與設計要求相匹配.同時會探討輸出波形,頻率精度和穩定性,相位噪聲,抖動,負載和溫度變化以及成本,還有如何以最佳方式使用振蕩器來獲得設計成功.
振蕩器基礎知識
石英晶體振蕩器是一種電子電路,能夠以需要的頻率產生周期波形.通用振蕩器的功能框圖包含一個放大器,以及一個帶有頻率選擇性反饋網絡的反饋路徑(圖1).如果回路增益在所需的振蕩頻率下等于或大于1,同時回路的相移等于2p弧度的倍數,則可以啟動并維持振蕩.這是一種正反饋條件.
頻率相關網絡可以是電感電容(LC)網絡,或是電阻電容(RC)網絡,但精密振蕩器通常需要采用諧振器.諧振器選型是需要處理的規格之一,因為每種諧振器都有自身的優缺點.
圖1:基本振蕩器的功能示意圖由一個放大器及一個頻率選擇性網絡或諧振器組成(采用正反饋配置).
常用的諧振器包括石英晶振,表面聲波(SAW)濾波器或微機電系統(MEMS).
當這樣的振蕩器首次上電時,電路中的唯一信號就是噪聲.在滿足振蕩增益和相位狀態的頻率下,噪聲元素會圍繞電路環路循環,而且振幅會因電路的正反饋而逐漸增加.信號振幅會持續增加,直至因放大器特性或外部自動增益控制(AGC)單元而受到限制為止.此時可以控制振蕩器輸出的波形,常見的波形選擇包括正弦波,削頂正弦波或邏輯("0"或"1")輸出.如果選擇邏輯輸出,則還必須選擇邏輯系列(HCMOS,TTL,ECL,LVDS…).
正弦輸出主要用于通信相關應用中的載波和本地振蕩器信號生成,在這些應用中頻譜純度是關鍵考慮因素.正弦波形僅在基本頻率下才具有明顯功率,在諧波頻率下幾乎沒有功率.
OSC晶振的關鍵規格是頻率穩定性,該參數定義了普通有源晶振保持頻率的程度.相關的規格包括老化率,該參數具體說明了振蕩器頻率在相當長的時間間隔(通常是一年)內的漂移情況.隨著應用速度的提高,振蕩器相位的短期變化已經成為一個重要問題.這種短期的相位變化稱為振蕩器的相位噪聲.相位噪聲是一種頻域規格.等效時域規格包括相位抖動或時間間隔誤差.
諧振器
在基本振蕩器中,反饋網絡可以是幾種諧振結構中的任何一種.最常見的是壓電石英晶體.石英晶體諧振器使用壓電效應.施加在晶體上的小電壓導致晶體變形,而施加在晶體上的力則會產生電荷.這一系列的機電互換形成了非常穩定的振蕩器的基礎.這種效應會在特定頻率下產生振蕩,而該頻率與晶體類型,切割晶體的幾何方向及晶體尺寸有關.
晶體固定在兩個電極之間,從而形成晶體諧振器的輸入和輸出.在這些條件下,晶體就像一個高選擇性LC電路(圖2).可以觀察到,固定座中的晶體可由一個串聯RLC電路表示,這表明晶體的串聯諧振頻率由模型分量LS和CS控制.并聯電容器代表固定座和相關接線的電容.并聯電容CP與串聯電感LS反應,產生并聯諧振頻率.在運行過程中,串聯諧振可控制諧振器運行.晶體的基頻范圍為千赫茲(kHz)32.768K到約200兆赫茲(MHz).
圖2:石英晶體的等效電路模型.模型分量LS和CS可確定串聯諧振頻率,而LS,CS和CP用于確定并聯諧振.(另一種常用諧振器是表面聲波(SAW)諧振器(圖3).
圖3:SAW濾波器/諧振器使用安裝在壓電基底上的叉指式換能器,在換能器之間的間隙產生表面聲波,從而在輸出端產生頻率相關的響應.
SAW濾波器是一種頻率選擇性器件,該器件使用沿彈性基底表面傳播的表面聲波.如圖所示,利用基底上的導電通路所形成的叉指式換能器(IDT)生成并檢測SAW.SAW濾波器/諧振器的工作頻率范圍為10MHz至2GHz.頻率取決于IDT元件的尺寸和基板材料的特性.SAW器件的電路模型與石英晶體的模型相似.SAW諧振器的制造成本低廉,可使用光刻法在小型封裝中制造.這些振蕩器稱為SAW振蕩器(簡稱“SO”).
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