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說(shuō)說(shuō)晶振與匹配電容2

三、石英晶體振蕩器的主要參數


晶振的主要參數有標稱(chēng)頻率,負載電容、頻率精度、頻率穩定度等。不同的晶振標稱(chēng)頻率不同,標稱(chēng)頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱(chēng)頻率 有:48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz~40.50 MHz等,對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上,也有的沒(méi)有標稱(chēng)頻率,如CRB、ZTB、Ja等系列。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。頻率精度和頻率穩定度:由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求,對于上等設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩定度。頻率精度從10^(-4) 量級到10^(-10)量級不等。穩定度從±1到±100ppm不等。這要根據具體的設備需要而選擇合適的晶振,如通信網(wǎng)絡(luò ),無(wú)線(xiàn)數據傳輸等系統就需要更 高要求的石英晶體振蕩器。因此,晶振的參數決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實(shí)際應用中要根據具體要求選擇適當的晶振,因不同性能的晶振其價(jià)格不同,要求越高價(jià) 格也越貴,一般選擇只要滿(mǎn)足要求即可。


四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢


1、小型化、薄片化和片式化:為滿(mǎn)足移動(dòng)電話(huà)為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求,石英晶體振蕩器的封裝由傳統的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝 轉變。例如TCXO這類(lèi)器件的體積縮小了30~100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm,目前5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。


2、高精度與高穩定度,目前無(wú)補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm,VCXO的頻率穩定度在10~7℃范圍內一般可達±20~100ppm,而OCXO在同一溫度范圍內頻率穩定度一般為±0.0001~5ppm,VCXO控制在±25ppm以下。


3、低噪聲,高頻化,在GPS通信系統中是不允許頻率顫抖的,相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個(gè)重要參數。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有 很大改善。除VCXO外,其它類(lèi)型的晶體振蕩器*高輸出頻率不超過(guò)200MHz。例如用于GSM等移動(dòng)電話(huà)的UCV4系列壓控振蕩器,其頻率為 650~1700 MHz,電源電壓2.2~3.3V,工作電流8~10mA。


4、低功能,快速啟動(dòng),低電壓工作,低電平驅動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品,電流損耗不 超過(guò)2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO,在±0.1ppm規定值范圍條件下,頻率穩定時(shí) 間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO,在振蕩啟動(dòng)4ms后則可達到額定值的90%。OAK公司的10~25 MHz的OCXO產(chǎn)品,在預熱5分鐘后,則能達到±0.01 ppm的穩定度。


五、石英晶體振蕩器的應用


1、石英鐘走時(shí)準、耗電省、經(jīng)久耐用為其*大優(yōu)點(diǎn)。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路,其頻率精度決定了電子鐘 表的走時(shí)精度。從石英晶體振蕩器原理的示意圖中,其中V1和V2構成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調電容C2構成振蕩系統,這里石英晶體相 當于電感。振蕩系統的元件參數確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻,R2為振蕩的穩定電阻,它們都集成在電路內部。故無(wú)法 通過(guò)改變C1或C2的數值來(lái)調整走時(shí)精度。但此時(shí)我們仍可用加接一只電容C有方法,來(lái)改變振蕩系統參數,以調整走時(shí)精度。根據電子鐘表走時(shí)的快慢,調整電 容有兩種接法:若走時(shí)偏快,則可在石英晶體兩端并接電容C,如圖4所示。此時(shí)系統總電容加大,振蕩頻率變低,走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢,則可在晶體支路中串接 電容C。如圖5所示。此時(shí)系統的總電容減小,振蕩頻率變高,走時(shí)增快。只要經(jīng)過(guò)耐心的反復試驗,就可以調整走時(shí)精度。因此,晶振可用于時(shí)鐘信號發(fā)生器。


2、隨著(zhù)電視技術(shù)的發(fā)展,近來(lái)彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場(chǎng)電路的振蕩源,經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻,其穩定性和可靠性大為提高。面且晶振價(jià)格便宜,更換容易。


3、在通信系統產(chǎn)品中,石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現,同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應用于通信網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)數據傳輸、高速數字數據傳輸等。


晶振的負載電容

晶體元件的負載電容是指在電路中跨接晶體兩端的總的外界有效電容。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。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。


晶振的負載電容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd,Cg為分別接在晶振的兩個(gè)腳上和對地的電容,Cic(集成電路內部電容)+△C(PCB上電容).就是說(shuō)負載電容15pf的話(huà),兩邊個(gè)接27pf的差不多了,一般a為6.5~13.5pF


各種邏輯芯片的晶振引腳可以等效為電容三點(diǎn)式振蕩器. 晶振引腳的內部通常是一個(gè)反相器, 或者是奇數個(gè)反相器串聯(lián). 在晶振輸出引腳 XO 和晶振輸入引腳 XI 之間用一個(gè)電阻連接, 對于 CMOS 芯片通常是數 M 到數十 M 歐之間. 很多芯片的引腳內部已經(jīng)包含了這個(gè)電阻, 引腳外部就不用接了. 這個(gè)電阻是為了使反相器在振蕩初始時(shí)處與線(xiàn)性狀態(tài), 反相器就如同一個(gè)有很大增益的放大器, 以便于起振. 石英晶體也連接在晶振引腳的輸入和輸出之間, 等效為一個(gè)并聯(lián)諧振回路, 振蕩頻率應該是石英晶體的并聯(lián)諧振頻率. 晶體旁邊的兩個(gè)電容接地, 實(shí)際上就是電容三點(diǎn)式電路的分壓電容, 接地點(diǎn)就是分壓點(diǎn). 以接地點(diǎn)即分壓點(diǎn)為參考點(diǎn), 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的, 但從并聯(lián)諧振回路即石英晶體兩端來(lái)看, 形成一個(gè)正反饋以保證電路持續振蕩. 在芯片設計時(shí), 這兩個(gè)電容就已經(jīng)形成了, 一般是兩個(gè)的容量相等, 容量大小依工藝和版圖而不同, 但終歸是比較小, 不一定適合很寬的頻率范圍. 外接時(shí)大約是數 PF 到數十 PF, 依頻率和石英晶體的特性而定. 需要注意的是: 這兩個(gè)電容串聯(lián)的值是并聯(lián)在諧振回路上的, 會(huì )影響振蕩頻率. 當兩個(gè)電容量相等時(shí), 反饋系數是 0.5, 一般是可以滿(mǎn)足振蕩條件的, 但如果不易起振或振蕩不穩定可以減小輸入端對地電容量, 而增加輸出端的值以提高反饋量.


設計考慮事項

1.使晶振、外部電容器(如果有)與 IC之間的信號線(xiàn)盡可能保持*短。當非常低的電流通過(guò)IC晶振振蕩器時(shí),如果線(xiàn)路太長(cháng),會(huì )使它對 EMC、ESD 與串擾產(chǎn)生非常敏感的影響。而且長(cháng)線(xiàn)路還會(huì )給振蕩器增加寄生電容。

2.盡可能將其它時(shí)鐘線(xiàn)路與頻繁切換的信號線(xiàn)路布置在遠離晶振連接的位置。

3.當心晶振和地的走線(xiàn)

4.將晶振外殼接地

如果實(shí)際的負載電容配置不當,**會(huì )引起線(xiàn)路參考頻率的誤差.另外如在發(fā)射接收電路上會(huì )使晶振的振蕩幅度下降(不在峰點(diǎn)),影響混頻信號的信號強度與信噪.

當波形出現削峰,畸變時(shí),可增加負載電阻調整(幾十K到幾百K).要穩定波形是并聯(lián)一個(gè)1M左右的反饋電阻.

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