晶振與匹配電容的全面總結(jié)

2016-11-01 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1、匹配電容-----負(fù)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(fù)載電容。要求高的場(chǎng)合還要考慮ic輸入端的對(duì)地電容。一般晶振兩端所接電容是所要求的負(fù)載電容的兩倍。這樣并聯(lián)起來(lái)就接近負(fù)載電容了。

2、負(fù)載電容是指在電路中跨接晶體兩端的總的外界有效電容。他是一個(gè)測(cè)試條件,也是一個(gè)使用條件。應(yīng)用時(shí)一般在給出負(fù)載電容值附近調(diào)整可以得到精確頻率。此電容的大小主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻。

3、一般情況下,增大負(fù)載電容會(huì)使振蕩頻率下降,而減小負(fù)載電容會(huì)使振蕩頻率升高。

4、負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)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(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱頻率相同的晶振,負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w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(fù)載電容晶振:另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以,標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)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(nèi)部是一個(gè)線性運(yùn)算放大器,將輸入進(jìn)行反向180度輸出,晶振處的負(fù)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(fù)反饋,保證放大器工作在高增益的線性區(qū),一般在M歐級(jí),輸出端的電阻與負(fù)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(duì)晶振過(guò)驅(qū)動(dòng),損壞晶振。

和晶振串聯(lián)的電阻常用來(lái)預(yù)防晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。晶振過(guò)分驅(qū)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(dǎo)致晶振的早期失效,又可以講drive level調(diào)整用。用來(lái)調(diào)整drive level和發(fā)振余裕度。

Xin和Xout的內(nèi)部一般是一個(gè)施密特反相器,反相器是不能驅(qū)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(hào)反向 180度反饋到輸入端形成負(fù)反饋,構(gòu)成負(fù)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(duì)晶體的阻抗影響小大?

電阻的作用是將電路內(nèi)部的反向器加一個(gè)反饋回路,形成放大器,當(dāng)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(yàn)此電路的穩(wěn)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(dāng)于電感的導(dǎo)線電阻很小很小。Q一般達(dá)到10^-4量級(jí)。

避免信號(hào)太強(qiáng)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(jù)LZ的晶振為幾十MHZ一般是在20~30P左右,主要用與微調(diào)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(duì)策

可是轉(zhuǎn)化為并聯(lián)等效阻抗后,Re越小,Rp就越大,這是有現(xiàn)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

關(guān)于晶振

石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器,被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中,以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。

一、石英晶體振蕩器的基本原理

1、石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)

石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件,它的基本構(gòu)成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器,簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、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(yīng)

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(jī)械變形。反之,若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力,則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng),這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下,晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小,但當(dāng)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(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)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(hào)和等效電路

當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí),可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容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(dāng)晶體振蕩時(shí),機(jī)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(shù)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(shù)Q很大,可達(dá)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(wěn)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(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),它的等效阻抗最小(等于R)。串聯(lián)揩振頻率用fs表示,石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性,(2)當(dāng)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(jù)石英晶體的等效電路,可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線?？梢姰?dāng)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。僅在fs

二、石英晶體振蕩器類型特點(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(jié)構(gòu)及電路形式等,共同決定振蕩器的性能。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類:普通晶體振蕩(TCXO),電壓控制式晶體振蕩器(VCXO),溫度補(bǔ)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(shù)字補(bǔ)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(jí)的頻率精度,標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ,頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補(bǔ)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(jí),頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。

溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器(TCXO)采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償,頻率精度達(dá)到10^(-7)~10^(-6)量級(jí),頻率范圍1—60MHz,頻率穩(wěn)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、蜂窩電話、雙向無(wú)線通信設(shè)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(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級(jí),對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。

三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)

晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率,負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標(biāo)稱頻率不同,標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有:48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz~40.50 MHz等,對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000 MHz以上,也有的沒有標(biāo)稱頻率,如CRB、ZTB、Ja等系列。負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)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(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱頻率相同的晶振,負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w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(fù)載電容晶振:另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以,標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)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(wěn)定度:由于普通晶振的性能基本都能達(dá)到一般電器的要求,對(duì)于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級(jí)到10^(-10)量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振,如通信網(wǎng)絡(luò),無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此,晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д?因不同性能的晶振其價(jià)格不同,要求越高價(jià)格也越貴,一般選擇只要滿足要求即可。

四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢(shì)

1、小型化、薄片化和片式化:為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求,石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如TCXO這類器件的體積縮小了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(wěn)定度,目前無(wú)補(bǔ)償式晶體振蕩器總精度也能達(dá)到±25ppm,VCXO的頻率穩(wěn)定度在10~7℃范圍內(nèi)一般可達(dá)±20~100ppm,而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)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(tǒng)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(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外,其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過(guò)200MHz。例如用于GSM等移動(dòng)電話的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(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢(shì)。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(guī)定值范圍條件下,頻率穩(wěn)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(dá)到額定值的90%。OAK公司的10~25 MHz的OCXO產(chǎn)品,在預(yù)熱5分鐘后,則能達(dá)到±0.01 ppm的穩(wěn)定度。

五、石英晶體振蕩器的應(yīng)用

1、石英鐘走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(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(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng),這里石英晶體相當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)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(wěn)定電阻,它們都集成在電路內(nèi)部。故無(wú)法通過(guò)改變C1或C2的數(shù)值來(lái)調(diào)整走時(shí)精度。但此時(shí)我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法,來(lái)改變振蕩系統(tǒng)參數(shù),以調(diào)整走時(shí)精度。根據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢,調(diào)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(tǒng)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(tǒng)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(fù)試驗(yàn),就可以調(diào)整走時(shí)精度。因此,晶振可用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。

2、隨著電視技術(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(wěn)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(tǒng)產(chǎn)品中,石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn),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(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取?

晶振的負(fù)載電容

晶體元件的負(fù)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(fù)載電容。要求高的場(chǎng)合還要考慮ic輸入端的對(duì)地電容。應(yīng)用時(shí)一般在給出負(fù)載電容值附近調(diào)整可以得到精確頻率。此電容的大小主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻。

晶振的負(fù)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(duì)地的電容,Cic(集成電路內(nèi)部電容)+△C(PCB上電容).就是說(shuō)負(fù)載電容15pf的話,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(nèi)部通常是一個(gè)反相器, 或者是奇數(shù)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(duì)于 CMOS 芯片通常是數(shù) M 到數(shù)十 M 歐之間。很多芯片的引腳內(nèi)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(yīng)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(xù)振蕩。在芯片設(shè)計(jì)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(shù) PF 到數(shù)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(dāng)兩個(gè)電容量相等時(shí), 反饋系數(shù)是 0.5, 一般是可以滿足振蕩條件的, 但如果不易起振或振蕩不穩(wěn)定可以減小輸入端對(duì)地電容量, 而增加輸出端的值以提高反饋量。

設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng):

1、使晶振、外部電容器(如果有)與 IC之間的信號(hào)線盡可能保持最短。當(dāng)非常低的電流通過(guò)IC晶振振蕩器時(shí),如果線路太長(zhǎng),會(huì)使它對(duì) EMC、ESD 與串?dāng)_產(chǎn)生非常敏感的影響。而且長(zhǎng)線路還會(huì)給振蕩器增加寄生電容。
2、盡可能將其它時(shí)鐘線路與頻繁切換的信號(hào)線路布置在遠(yuǎn)離晶振連接的位置。
3、當(dāng)心晶振和地的走線
4、將晶振外殼接地

如果實(shí)際的負(fù)載電容配置不當(dāng),第一會(huì)引起線路參考頻率的誤差。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(hào)的信號(hào)強(qiáng)度與信噪。

當(dāng)波形出現(xiàn)削峰,畸變時(shí),可增加負(fù)載電阻調(diào)整(幾十K到幾百K).要穩(wěn)定波形是并聯(lián)一個(gè)1M左右的反饋電阻。

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