模擬電路部分晶振設(shè)計(jì)
發(fā)布日期:2019-07-24
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振蕩器原理
振蕩器是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)的帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。從能量的角度來(lái)說(shuō)，正弦波振蕩器是通過(guò)自激方式把直流電能轉(zhuǎn)換為特定頻率和幅度的正弦交變能量的電路。
對(duì)于任何一個(gè)帶有反饋的放大電路，都可以畫成下圖所示結(jié)構(gòu)：
當(dāng)增益滿足 ，且相位條件滿足 時(shí)，構(gòu)成正反饋環(huán)路，起振條件得以滿足。上圖即構(gòu)成一個(gè)振蕩器。
Pierce Oscillator
倒相器作為放大器，同時(shí)提供180度的相移。而晶振及負(fù)阻電容作為反饋回路，提供剩下的180度相移。RF為反饋電阻，用來(lái)決定倒相器 的直流工作點(diǎn)，使之工作在高增益區(qū)（線性區(qū)）。這個(gè)電阻值不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致環(huán)路無(wú)法振蕩。該電路利用晶振的并聯(lián)諧振，由于并聯(lián)諧振與C0有關(guān)，會(huì)受寄生電容影響，因此增加負(fù)載電容C1、C2，可減小C0對(duì)諧振頻率的影響。同時(shí)C1、C2的加入會(huì)影響起振時(shí)間和振蕩頻率的準(zhǔn)確度。負(fù)載電容的選擇，應(yīng)根據(jù)晶振供應(yīng)商提供的datasheet的數(shù)值選擇。在許可范圍內(nèi)，負(fù)載電容值越低越好。容值偏大雖有利于振蕩器的穩(wěn)定，但將會(huì)增加起振時(shí)間。
Rs用于抑制高次諧波，從而使振蕩器獲得較為純凈的頻譜。Rs的值若太小的話，可能會(huì)導(dǎo)致晶振的過(guò)分驅(qū)動(dòng)（overdrive），導(dǎo)致晶振損壞或壽命減短。通常取 。Rs的影響可以由下圖看出。
3. 晶振設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
在低功耗設(shè)計(jì)中晶體的選擇非常重要，尤其帶有睡眠喚醒的系統(tǒng)，往往使用低電壓以求低功耗。由于低供電電壓使提供給晶體的激勵(lì)功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時(shí)并不特別明顯，上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時(shí)，電路的擾動(dòng)要比上電時(shí)小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過(guò)激勵(lì)(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(lì)(不容易起振)。晶體的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)要素：諧振頻點(diǎn)、負(fù)載電容、激勵(lì)功率、溫度特性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性。換句話說(shuō)，晶振可靠性工作不僅受到負(fù)載電容的影響。對(duì)于負(fù)載電容的選擇，應(yīng)根據(jù)晶振供應(yīng)商提供的datasheet的數(shù)值選擇。在許可范圍內(nèi)，負(fù)載電容值越低越好。容值偏大雖有利于振蕩器的穩(wěn)定，但將會(huì)增加起振時(shí)間。有的晶振推薦電路甚至需要串聯(lián)電阻RS，它一般用來(lái)來(lái)防止晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。過(guò)分驅(qū)動(dòng)晶振會(huì)漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升，造成頻率偏移，加速老化。
設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié):
1.首先要選擇一個(gè)低的等效串聯(lián)電阻的晶體。晶體串聯(lián)電阻低有利于解決起振的問(wèn)題。因?yàn)榈偷木w等效阻值有利于增加環(huán)路增益。
2.通過(guò)縮短印制電路板的連線間距來(lái)減低寄身電容。從而可以幫助解決起振問(wèn)題和晶振頻率穩(wěn)定度的問(wèn)題。
3.應(yīng)該保持對(duì)晶振應(yīng)用溫度和電壓范圍保持監(jiān)控，從而保持晶體起振頻率有必要的話要調(diào)整電容電阻的值。
4.想要得到最佳效果，晶振設(shè)計(jì)應(yīng)該采用Vdd峰峰值的至少40%作為驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘反相器的輸入信號(hào)。僅僅調(diào)節(jié)晶振兩端是不能達(dá)到這一要求的。我們也可以參考晶振制造商的使用說(shuō)明來(lái)獲得關(guān)于晶振設(shè)計(jì)進(jìn)一步的幫助。
5.對(duì)于推薦最優(yōu)化的R1的阻值可以這樣得到，首先計(jì)算電容C1，C2的值，然后在R1的位置上設(shè)置一個(gè)電位計(jì)，將電位計(jì)的初始值設(shè)置為XC1。這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)來(lái)保證在所需要的頻率下起振以及維持晶體穩(wěn)態(tài)振蕩。
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