振蕩器簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細說就是一個不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)化，這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。本文主要介紹晶體振蕩器的分類，常見石英晶體的特性及原理等。

    1、振蕩器分類

    振蕩器的分類如下：

    在皮爾斯系列中，接地點位置對性能有很大的影響。皮爾斯電路的接法相對于寄生電抗和偏置電阻來說，一般要好于其他幾種電路，因為它們多半是跨接在電路的電容上，而不是跨接在晶體器件上。它是高穩(wěn)定度振蕩器應(yīng)用zui廣泛的電路之一。雖然皮爾斯系列可以通過把電感與晶體串聯(lián)起來使它工作在串聯(lián)諧振上，但是它一般還是工作在“并聯(lián)諧振”上。

    在考畢茲電路的接法中，較大部分寄生電容出現(xiàn)在晶體的兩端，同時偏置電阻也跨接在晶體上，這就會降低性能。

    克拉普電路的接法很少使用，因為集電直接與晶體連接，這就很難將直流電壓加在集電上而又不引入損耗或寄生振蕩。

    布特勒系列通常工作在（或接近）串聯(lián)諧振上，皮爾斯系列可以被設(shè)計用來使晶體電流高于或低于發(fā)射電流情況下進行工作。

    當高穩(wěn)定性不是主要考慮的問題時，門電路振蕩器是數(shù)字系統(tǒng)的常用電路。

    大多數(shù)情況要求正弦波輸出，或者TTL兼容，或者CMOS兼容，或者ECL兼容輸出。后三種輸出都是由正弦波產(chǎn)生。虛線表示輸入電壓，實線表示輸出。對于正弦波振蕩器來說，對于正弦波振蕩器沒有“標準的”輸入電壓。CMOS的輸入電壓一般為1~10V。

    2、晶體振蕩電路(Pierce-gate oscillator crystal)

    MCU的振蕩電路叫“三點式電容振蕩電路”，晶體相當于三點式里面的電感，C1和C2就是電容，5404和R1實現(xiàn)一個NPN的三管。

    5404必須要一個電阻，不然它處于飽和截止區(qū)，而不是放大區(qū)，R1相當于三管的偏置作用，讓5404處于放大區(qū)域，那么5404就是一個反相器，這個就實現(xiàn)了NPN三管的作用，NPN三管在共發(fā)射接法時也是一個反相器。

    一個正弦振蕩電路要振蕩的條件是，系統(tǒng)放大倍數(shù)大于1，這個容易實現(xiàn)，相位滿足360°，接下來主要講解這個相位問題：5404因為是反相器，也就是說實現(xiàn)了180°移相，那么就需要C1，C2和Y1實現(xiàn)180°移相就可以，恰好，當C1，C2，Y1形成諧振時，能夠?qū)崿F(xiàn)180°移相，這個大家zui簡單的可以以地作為參考，諧振的時候，C1、C2上通過的電流一樣，地在C1、C2中間，所以恰好電壓相反，實現(xiàn)180°移相。當C1增大時，C2端的振幅增強，當C2降低時，振幅也增強。

    有些時候C1，C2不焊也能起振，這個不是說沒有C1，C2，而是因為芯片引腳的分布電容引起的，因為本來這個C1，C2就不需要很大，所以這一點很重要。接下來分析這兩個電容對振蕩穩(wěn)定性的影響。因為5404的電壓反饋是靠C2的，假設(shè)C2過大，反饋電壓過低，這個也是不穩(wěn)定，假設(shè)C2過小，反饋電壓過高，儲存能量過少，容易受外界干擾，也會輻射影響外界。C1的作用對C2恰好相反。因為我們布板的時候，假設(shè)雙面板，比較厚的，那么分布電容的影響不是很大，假設(shè)在高密度多層板時，就需要考慮分布電容，尤其是VCO之類的振蕩電路，更應(yīng)該考慮分布電容。

    （1）晶體震蕩器分類

    IEC 60679將晶體振蕩器分為4類：普通（標準封裝）晶體振蕩SPXO、壓控振蕩VCXO、溫度補償振蕩TCXO、恒溫振蕩OCXO。zui新的還有數(shù)字補償振蕩DCXO。

    VCXO是通過施加外部控制電壓使晶體振蕩頻率可變或可調(diào)制。通過控制變?nèi)荻艿碾妷簛砀淖冏內(nèi)荻艿碾娙?，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達到頻率調(diào)制的目的。

    TCXO是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種晶體振蕩器。來自溫度傳感器（熱敏電阻）的輸出信號被用來產(chǎn)生校正電壓，加在晶體網(wǎng)絡(luò)中的變?nèi)荻苌稀ｋ娍沟淖兓靡匝a償晶體的頻率溫度特性。分為直接補償和間接補償。直接補償是由熱敏電阻和阻容元件組成的，在振蕩器中和石英晶體振子中。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯(lián)電容的容值相應(yīng)變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。不適合于精度小于±1ppm的場合。

    間接補償又分為模擬式和數(shù)字式，模擬式是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度-電壓變換電路，并將該電壓施加到與晶體振子串聯(lián)的變?nèi)荻苌?，通過晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率進行補償。該方法能實現(xiàn)±0.5ppm的精度。數(shù)字式的間接溫度補償是在模擬式的溫度-電壓變換電路后加一級AD變換，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

    模擬的TCXO在晶體的頻率隨溫度變化的范圍內(nèi)能夠提供大概20倍的改善。

    OCXO恒溫控制晶體振蕩器，在這種振蕩器中，晶體和其他溫度敏感元件均裝在穩(wěn)定的恒溫槽中，而恒溫槽被調(diào)整到頻率隨溫度的變化斜率為零的溫度上。OCXO能夠在晶體頻率隨溫度變化的范圍內(nèi)提供1000倍以上的改善。

    四種類型的晶體振蕩器對比如下：

    （2）石英晶體特性

    石英晶體是一種壓電器件，它能夠?qū)崿F(xiàn)電能和機械能的互相轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換發(fā)生在諧振頻率處。石英晶體的等效模型如下：

    C0：代表電引入的并聯(lián)電容

    Lm：（振蕩電感）代表晶體的振蕩量

    Cm：（振蕩電容MotionalCapacitance）代表晶體的振蕩彈性

    Rm：（振蕩電阻MotionalResistance）代表電流損耗

    晶體的阻抗計算式如下：（假設(shè)Rm是可以忽略的）

    Fs是晶體在Z=0時的串聯(lián)諧振頻率。它的表達式可以從等式（1）中推導(dǎo)出來：

    Fa是反諧振頻率，此時的Z趨于無窮大。從等式（1）中可以推導(dǎo)出它的表達式為：

    由Fs和Fa界定的區(qū)域被稱作為并聯(lián)諧振區(qū)域（上圖中的陰影部分）。在這段區(qū)域內(nèi)，晶體工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)下，其表現(xiàn)像一個電感，會在環(huán)路中增加180度的相移。它的頻率Fp（或FL：負載頻率）的表達式如下：

    從等式4中可以看出，晶體的振蕩頻率能夠通過使用不同的負載電容CL進行調(diào)校。這也就是為什么晶體制造商會在他們的晶體數(shù)據(jù)手冊內(nèi)指明晶體振蕩在標定的頻率上時所需要的的負載電容CL值。

    下表給出了一個標定為8MHz的晶體，其等效電路元件值的例子。

    通過等式（2）、（3）、（4）我們可以算出這個晶體的Fs，F(xiàn)a，F(xiàn)p：

    Fs=7988768Hz，F(xiàn)a=8008102Hz

    如果該晶體電上的負載電容CL等于10pF，則該晶體將振蕩在如下的頻率上：

    Fp=7995695Hz

    如果要的得到8MHz的振蕩頻率，則CL應(yīng)等于4.02pF。

    （3）晶體切型和頻率

    切割方式是以光軸(Z軸)為參考而命名，每種切法對應(yīng)一個角度。采用何種切法應(yīng)根據(jù)實際情況而定，如對溫度特性要求較好則應(yīng)采用AT-CUT，如果對晶振要求的頻率較高時則采用BT-CUT。晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等決定了晶振的頻率。

    （4）Pierce振蕩器原理及特性

    Inv：內(nèi)部的反向器，作為放大器來工作。

    Q：石英晶體或者陶瓷諧振器。

    RF：內(nèi)部反饋電阻。

    RExt：外部電阻，用于限制反向器的輸出電流。

    CL1和CL2：兩個外部負載電容。

    Cs：MCU引腳（OSC_IN和OSC_OUT）間和PCB線路上的雜散電容，它是一個并聯(lián)電容。

    實際使用中，皮爾斯振蕩器有以下一些特性：

    反饋電阻RF。在大多數(shù)的控制器中，RF是嵌入在振蕩器電路內(nèi)部的，它的作用是使反向器作為放大器工作。該反饋電阻被并接在Vin和Vout上，這樣就使放大器的Vout=Vin，從而強制它運行在線性區(qū)內(nèi)（圖5中的陰影區(qū)域）。放大器會把處于串-并頻率范圍（Fa，F(xiàn)s）內(nèi)的噪聲放大（例如，晶體的熱噪聲）。這個噪聲會引發(fā)振蕩器起振。在某些情況下，當振蕩器的振蕩穩(wěn)定后將RF移走，振蕩器仍可以繼續(xù)正常的運行。

    負載電容CL。參照晶體震蕩電路一節(jié)。

    增益裕量。增益裕量是一個關(guān)鍵參數(shù)，它決定著振蕩器是否能夠起振。根據(jù)Eric Vittoz理論：晶體動態(tài)的等效RLC電路的阻抗由放大器和兩個外接電容的阻抗作補償。通常認為，增益裕量值為5是保證振蕩器有效起振的zui小值。如果達不到振蕩條件，晶體將不能振蕩。這時只能再選擇一個有更低ESR和/或有更低CL值的晶體了。

    驅(qū)動功率。驅(qū)動功率就是指晶體內(nèi)消耗的功率。它必須被限制在一定范圍內(nèi)，否則晶體會因過度的機械振動而損壞。zui大驅(qū)動功率由晶體制造商，單位通常用mW。超過的驅(qū)動功率，可能會導(dǎo)致晶體損壞。

    外接電阻RExt。這個電阻的作用是限制晶體的驅(qū)動功率。它和CL2一起構(gòu)成了一個低通濾波器，強制振蕩器工作在基波頻率上，而不是其他高次諧波（防止振蕩器振蕩在3，5，7倍的基波頻率上）。如果晶體上的功率耗散大于制造商的值，則外接電阻RExt是必須的，以避免晶體被過驅(qū)動；如果晶體上的功率耗散小于制造商的值，則不建議加入外接電阻RExt，或者它的值為0Ω。RExt的值越大越好，可有效防止晶振被過驅(qū)動，但太大會導(dǎo)致增益裕量過小，不能起振。

    啟動時間。這是振蕩器從開始起振到振蕩穩(wěn)定的時間。石英諧振器的啟動時間要比陶瓷諧振器的長。啟動時間取決于：外接電容CL1和CL2；晶體的振蕩頻率越高啟動時間越短；石英諧振器的啟動時間遠長于陶瓷諧振器。啟動問題通?？蓺w因于增益裕量，與之相關(guān)的是CL1和CL2過小或過大，或者是ESR太大了。

    一個MHz級的晶體，啟動時間一般是ms級。

    32kHz晶體的啟動時間一般在1-5s范圍內(nèi)。

    牽引度。晶體牽引度（Pullability）是指在通常的并聯(lián)諧振應(yīng)用中晶體頻率的改變。它也是對晶體在負載電容按規(guī)律變化時所對應(yīng)的頻率變化的一個測量。負載電容減小會導(dǎo)致頻率增大；相反的，負載電容增大會導(dǎo)致頻率減小。

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