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文檔簡介
1、石英晶體振蕩器與外圍電路關(guān)系一、三端式lc振蕩器三端式lc振蕩電路是經(jīng)常被采用的,其工作頻率約在幾mhz到幾百mhz的范圍,頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些,約為103104量級,采取一些穩(wěn)頻措施后,還可以再提高一點(diǎn)。三端式lc振蕩電路以分為電感三端式和電容三端式電容三端式又分為串聯(lián)型電容三端式和并聯(lián)型電容三端式(也有叫三點(diǎn)式)。并聯(lián)型電容三端式:電容反饋式振蕩電路,如圖1a。振蕩頻率(公式1)反饋系數(shù) (公式2)集電極等效負(fù)載:(公式3)ab圖1在這個(gè)電路中若要提高電容反饋式振蕩電路的振蕩頻率,勢必要減小c1和c2的電容量和l的電感量。實(shí)際上不c1和c2的電容量減小到一定程度時(shí),晶體管
2、的極間電容和電路中的雜散電容將納入c1和c2中,從而影響振蕩頻率。這些電容等效為放大電路的輸入電容ci和輸出電容c。,如圖1b中所標(biāo)注。電路的優(yōu)點(diǎn): 1. 電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。2. 電路的頻率穩(wěn)定度較高,適當(dāng)加大回路的電容量,就可以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。3. 電容三端電路的工作頻率可以做得較高,可直接利用振 蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十mhz,采用共基放大電路可做到幾百mhz的甚高頻波段范圍。電路的缺點(diǎn): 調(diào)c1或c2來改變振蕩頻率時(shí),反饋系數(shù)也將改變。改進(jìn)型電容反饋式振蕩電路,如圖2:a)圖2在電感支路串聯(lián)一個(gè)小容量電容c,而且cc
3、1,cc2,這樣總電容約為c,因面電路的振蕩頻率為:(公式4)二、石英晶體振蕩器1 、石英晶體的壓電特性 石英晶體所以能成為電諧振器,是利用了它所特有的正、反兩種壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng),就 是當(dāng)沿晶體的電軸或機(jī)械軸施以張力或壓力時(shí),就在垂直于電軸的兩面上產(chǎn)生正、負(fù)電 荷,呈現(xiàn)出電壓。負(fù)壓電效應(yīng)是指當(dāng)在垂直于電軸的兩面上加以交變電壓時(shí),晶體將會沿電軸或機(jī)械軸產(chǎn)生彈性變形(伸張或壓縮),稱為機(jī)械振動。 2 、石英晶體的諧振特性: 因?yàn)槭⒕w和其它彈性體一樣,具有彈性和慣性,因而存在著固有振動頻率。當(dāng)外加電信號頻率在此自然頻率附近時(shí),就會發(fā)生諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機(jī)械共振,又在電路上表現(xiàn)出電
4、諧振。3、石英晶體的阻抗頻率特性并聯(lián)型石英晶體振蕩電路:石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路或一個(gè)并聯(lián)諧振回路石英晶體的等效電路如下虛線部份:其頻率特性如下:串聯(lián)諧振頻率: 并聯(lián)諧振頻率: 當(dāng)振蕩頻率為ffq 時(shí),lq,cq,rq支路呈感性,與c0產(chǎn)生并聯(lián)諧振。,石英晶體呈純阻性。由于cq<<co 所以fpfs , fs越接近fp石英晶體呈感性的頻帶愈狹窄。4、其它特性:由于晶振的q值和特性阻抗r都很高,所以晶振的諧振電阻也很高,一般可達(dá)1010Ù以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小,此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大,使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。5、反饋
5、系數(shù)反饋系數(shù),若增大c1/c2,則一方面反饋系數(shù)數(shù)值隨之增大,,環(huán)路增益大,有利于電路起振;但是其值過大時(shí),它又使減小,從而造成電壓放大倍數(shù)數(shù)值減小,振蕩穩(wěn)定性會變差,不利于電路起振。因此,c1/c2既不能太大,又不能太小,具體數(shù)值應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)來確定。所以各個(gè)廠家在賣石英晶體時(shí)會給出一個(gè)匹配值。比值通常取1.22.4。標(biāo)頻f越高,比值趨近2.4;標(biāo)頻率f越低,比值趨近1.2a178 諧振器測試記錄次序晶振(m)c1(c36 in a178)(pf)rext(r22)(k)c2(c37)(pf)起振效果1668空沒接(空)稍好266810空較好36681010較好46681033較好5668104
6、7較好66681068較好76331047(5:5)失敗86471047(5:5)失敗964710空較好106331047(5:5)失敗116331068較好126331033(10:10)失敗136331022(10:10)失敗1463310空(10:10)失敗1564710空較好1664710100較好16610010100較好18610010空較好196100空空較好206空1033(5:5)失敗216空1068(10:10)失敗22668空68不穩(wěn)定23668空10(5:5)失敗注:稍好:指在10次測試中,超過5次能正常振蕩;較好:測試中,每次都能正常振蕩,試驗(yàn)次數(shù)不等(310次),包
7、括冷啟動和熱啟動。不穩(wěn)定:失敗次多次數(shù)多,且要較長時(shí)間等待。三、補(bǔ)充資料1、 晶振:即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時(shí)鐘振蕩器的統(tǒng)稱。不過由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中,諧振器用的更多,所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指時(shí)鐘振蕩器(振蕩器)。2、 分類。首先說一下諧振器。諧振器一般分為插件(dip)和貼片(smd)。插件中又分為1) hc-49u2) hc-49u/s3) 音叉型(圓柱)hc-49u一般稱49u,有些采購俗稱“高型”,而hc-49u/s一般稱49s,俗稱“矮型”。音叉型按照體積分可分為3*8,2*6,1*5,1*4等等。貼片型是按大小和腳位來分類。例如7*5(0
8、705)、6*3.5(0603),5*3.2(5032)等等。腳位有4pin和2pin之分。振蕩器:它需要外接電源才能正常工作??梢苑譃椴寮唾N片。插件的可以按大小和腳位來分。例如所謂全尺寸的,又稱長方形或者14pin,半尺寸的又稱為正方形或者8pin。不過要注意的是,這里的14pin和8pin都是指振蕩器內(nèi)部核心ic的腳位數(shù),振蕩器本身是4pin。而從不同的應(yīng)用層面來分,又可分為spxo (或osc,普通鐘振),tcxo(溫度補(bǔ)償),vcxo(壓控),ocxo(恒溫)等等。1) 普通晶體振蕩器(spxo)。這是一種簡單的晶體振蕩器,通常稱為鐘振,其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補(bǔ)償”和
9、“agc”部分,完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場合。2) 恒溫晶體振蕩器(以下簡稱ocxo) 這類型晶振對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術(shù),將晶體置于恒溫槽內(nèi),通過設(shè)置恒溫工作點(diǎn),使槽體保持恒溫狀態(tài),在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響,達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設(shè)備,包括交換機(jī)、sdh傳輸設(shè)備、移動通信直放機(jī)、gps接收機(jī)、電臺、數(shù)字電視及軍工設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)用戶需要,該類型晶振可以帶壓控引腳。ocxo的工作原理如下圖3所示: 圖3恒溫晶體振蕩器原理框圖ocxo的主要優(yōu)點(diǎn)是,由于采用了恒溫槽技術(shù),頻率溫度特性在所有類型晶振中
10、是最好的,由于電路設(shè)計(jì)精密,其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大,需要5分鐘左右的加熱時(shí)間才能正常工作等。3) 補(bǔ)償晶體振蕩器(以下簡稱tcxo)。 其對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補(bǔ)償手段,主要原理是通過感應(yīng)環(huán)境溫度,將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率,達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的tcxo是采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償,隨著補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展,很多數(shù)字化補(bǔ)償大tcxo開始出現(xiàn),這種數(shù)字化補(bǔ)償?shù)膖cxo又叫dtcxo,用單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)我們稱之為mcxo,由于采用了數(shù)字化技術(shù),這一類型的晶振再溫度特性上達(dá)到了很高的精度,并且能夠適應(yīng)更寬的工作溫度范圍,主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域和使用環(huán)境
11、惡劣的場合。其設(shè)計(jì)原理如圖4。 圖4 mcxo數(shù)字溫補(bǔ)晶振原理框圖4) 壓控晶體振蕩器(vcxo) 這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來分類,帶壓控輸入引腳的一類晶振叫vcxo,以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。四、基本術(shù)語。一些常用的諧振器術(shù)語:frequency tolerance(調(diào)整頻差):在規(guī)定條件下,在基準(zhǔn)溫度(25±2)與標(biāo)稱頻率允許的偏差。一般用ppm(百萬分之)表示。frequency stability(溫度頻差):指在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi),與標(biāo)稱頻率允許的偏差。用ppm表示。aging(年老化率):在規(guī)定條件下,晶體工作頻率隨時(shí)間而允許的相對變化。以年為時(shí)間單位衡量時(shí)稱為年老化率。shunt capacitance(靜電容):等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容,也叫并電容,通常用c0表示。load cap
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