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說(shuō)說(shuō)晶振與匹配電容1

匹配電容

負載電容是指晶振要正常震蕩所需要的電容。一般外接電容,是為了使晶振兩端的等效電容等于或接近負載電容。要求高的場(chǎng)合還要考慮ic輸入端的對地電容。一般晶振兩端所接電容是所要求的負載電容的兩倍。這樣并聯(lián)起來(lái)就接近負載電容了。


負載電容

他是一個(gè)測試條件,也是一個(gè)使用條件。應用時(shí)一般在給出負載電容值附近調整可以得到精 確頻率。此電容的大小主要影響負載諧振頻率和等效負載諧振電阻。一般情況下,增大負載電容會(huì )使振蕩頻率下降,而減小負載電容會(huì )使振蕩頻率升高。負載電容是指晶振的兩條引線(xiàn)連接IC塊內部及外部所有有效電容之和,可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱(chēng)頻率相同的晶振,負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個(gè)諧振頻率,一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負載電容晶 振:另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負載電容晶振。所以,標稱(chēng)頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負載電容一至,不能冒然互換,否則會(huì )造成電器工作不正常。


晶振旁的電阻(并聯(lián)與串聯(lián))

一份電路在其輸出端串接了一個(gè)22K的電阻,在其輸出端和輸入端之間接了一個(gè)10M的電阻,這是由于連接晶振的芯片端內部是一個(gè)線(xiàn)性運算放大器,將 輸入進(jìn)行反向180度輸出,晶振處的負載電容電阻組成的網(wǎng)絡(luò )提供另外180度的相移,整個(gè)環(huán)路的相移360度,滿(mǎn)足振蕩的相位條件,同時(shí)還要求閉環(huán)增益大 于等于1,晶體才正常工作。


晶振輸入輸出連接的電阻作用是產(chǎn)生負反饋,保證放大器工作在高增益的線(xiàn)性區,一般在M歐級,輸出端的電阻與負載電容組成網(wǎng)絡(luò ),提供180度相移,同時(shí)起到限流的作用,防止反向器輸出對晶振過(guò)驅動(dòng),損壞晶振。


和晶振串聯(lián)的電阻常用來(lái)預防晶振被過(guò)分驅動(dòng)。晶振過(guò)分驅動(dòng)的后果是將逐漸損耗減少晶振的接觸電鍍,這將引起頻率的上升,并導致晶振的早期失效,又可以講drive level調整用。用來(lái)調整drive level和發(fā)振余裕度。


Xin和Xout的內部一般是一個(gè)施密特反相器,反相器是不能驅動(dòng)晶體震蕩的.因此,在反相器的兩端并聯(lián)一個(gè)電阻,由電阻完成將輸出的信號反向 180度反饋到輸入端形成負反饋,構成負反饋放大電路.晶體并在電阻上,電阻與晶體的等效阻抗是并聯(lián)關(guān)系,自己想一下是電阻大還是電阻小對晶體的阻抗影響 小大?


電阻的作用是將電路內部的反向器加一個(gè)反饋回路,形成放大器,當晶體并在其中會(huì )使反饋回路的交流等效按照晶體頻率諧振,由于晶體的Q值非常高,因此 電阻在很大的范圍變化都不會(huì )影響輸出頻率。過(guò)去,曾經(jīng)試驗此電路的穩定性時(shí),試過(guò)從100K~20M都可以正常啟振,但會(huì )影響脈寬比的。


晶體的Q值非常高, Q值是什么意思呢? 晶體的串聯(lián)等效阻抗是 Ze = Re + jXe, Re<< |jXe|, 晶體一般等效于一個(gè)Q很高很高的電感,相當于電感的導線(xiàn)電阻很小很小。Q一般達到10^-4量級。


避免信號太強打壞晶體的。電阻一般比較大,一般是幾百K。


串進(jìn)去的電阻是用來(lái)限制振蕩幅度的,并進(jìn)去的兩顆電容根據LZ的晶振為幾十MHZ一般是在20~30P左右,主要用與微調頻率和波形,并影響幅度,并進(jìn)去的電阻就要看 IC spec了,有的是用來(lái)反饋的,有的是為過(guò)EMI的對策

可是轉化為 并聯(lián)等效阻抗后,Re越小,Rp就越大,這是有現成的公式的。晶體的等效Rp很大很大。外面并的電阻是并到這個(gè)Rp上的,于是,降低了Rp值 -----> 增大了Re -----> 降低了Q.


晶振

石英晶體振蕩器是高精度和高穩定度的振蕩器,被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類(lèi)振蕩電路中,以及通信系統中用于頻率發(fā)生器、為數據處理設備產(chǎn)生時(shí)鐘信號和為特定系統提供基準信號。


一、石英晶體振蕩器的基本原理


1、石英晶體振蕩器的結構


石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件,它的基本構成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn) 稱(chēng)為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個(gè)對應面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊一根引線(xiàn)接到管腳上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體 諧振器,簡(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。


2、壓電效應


若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng),晶片就會(huì )產(chǎn)生機械變形。反之,若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng),這種物理現象稱(chēng)為 壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì )產(chǎn)生機械振動(dòng),同時(shí)晶片的機械振動(dòng)又會(huì )產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下,晶片機械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振 幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí),振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱(chēng)為壓電諧振,它與LC回路的諧振現象十分相似。 它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。


3、符號和等效電路


當晶體不振動(dòng)時(shí),可把它看成一個(gè)平板電容器稱(chēng)為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān),一般約幾個(gè)PF到幾十PF。當晶體振蕩時(shí),機 械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來(lái)等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效,它的數值約為 100Ω。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質(zhì)因數Q很大,可達1000~10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切 割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān),而且可以做得精  確,因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩定度。


4、諧振頻率


從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個(gè)諧振頻率,即(1)當L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),它的等效阻抗*小(等于R)。串聯(lián)揩振頻率用fs表 示,石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性,(2)當頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性,可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振,其并聯(lián)頻率用fd表示。


根據石英晶體的等效電路,可定性畫(huà)出它的電抗—頻率特性曲線(xiàn)??梢?jiàn)當頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí),石英晶體呈容性。


二、石英晶體振蕩器類(lèi)型特點(diǎn)


石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子(即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等,共同決定振蕩器的性 能。國際電工委員會(huì )(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類(lèi):普通晶體振蕩(TCXO),電壓控制式晶體振蕩器(VCXO),溫度補償式晶體振蕩 (TCXO),恒溫控制式晶體振蕩(OCXO)。目前發(fā)展中的還有數字補償式晶體損振蕩(DCXO)等。


普通晶體振蕩器(SPXO)可產(chǎn)生10^(-5)~10^(-4)量級的頻率精度,標準頻率1—100MHZ,頻率穩定度是±100ppm。 SPXO沒(méi)有采用任何溫度頻率補償措施,價(jià)格低廉,通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。


電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)的精度是10^(-6)~10^(-5)量級,頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。


溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補償,頻率精度達到10^(-7)~10^(-6)量級,頻率范圍1—60MHz, 頻率穩定度為±1~±2.5ppm,封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話(huà)、蜂窩電話(huà)、雙向無(wú)線(xiàn)通信設備等。


恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中,以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級,對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩定度在四種類(lèi)型振蕩器中*高。




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