晶體振蕩器的基本工作原理及作用

晶振也就是晶振振蕩器，是一種利用晶體作為頻率選擇元件來(lái)獲得逆壓電效應(yīng)的電子振蕩器。它利用具有壓電特性的振動(dòng)晶體的機(jī)械共振，以獲得具有高精度頻率的電信號(hào)。晶體振蕩器被認(rèn)為優(yōu)于陶瓷諧振器，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩姆€(wěn)定性、更高的質(zhì)量、更低的成本和更小的尺寸。下面主要對(duì)晶體振蕩器相關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)要介紹，供大家參考。

1.共振頻率

在晶體諧振器的共振特性中，共振頻率是兩點(diǎn)阻抗變?yōu)?a target="_blank">電阻時(shí)的較低頻率點(diǎn)。

圖. 晶體諧振器共振特性

阻抗Z變?yōu)殡娮柙r(shí)，兩點(diǎn)之間的頻率。在這兩點(diǎn)上，相為0。其中頻率較低的點(diǎn)稱為共振頻率。另外一個(gè)點(diǎn)稱為反共振頻率。

2.等效電路

下圖所示的是由電阻、電感和電容組成的晶體諧振器的共振特性。R1在等效電路中稱為等效串聯(lián)電阻，是晶體諧振器的重要特性。

3.等效串聯(lián)電阻 (R1)

晶體諧振器等效電路串聯(lián)支路中的電阻。

4.負(fù)載電容 (Cs)

讓晶體諧振器具有負(fù)載共振頻率的電容。在實(shí)際振蕩電路中，連接晶體諧振器的實(shí)際電容是由外部負(fù)載電容、IC雜散和PCB等產(chǎn)生的。也可用下述公式進(jìn)行計(jì)算:

5.負(fù)載共振頻率 (fL)

負(fù)載共振頻率是晶體諧振器中負(fù)載電容串聯(lián)的共振頻率，這一頻率比共振頻率高。由于實(shí)際值與晶體諧振器規(guī)范中額定值之間的電容差，所以實(shí)際和額定振蕩頻率間存在頻差。

也可用下述公式進(jìn)行計(jì)算:

6.拉敏性

上面的圖顯示了負(fù)載電容變化產(chǎn)生的負(fù)載共振頻率 (fL) 偏移。此圖中每個(gè)點(diǎn)的斜率就是拉敏性。參見(jiàn)下面的圖。在負(fù)載電容為6pF時(shí)，拉敏性是-17ppm/pF。(負(fù)載電容變化1pF時(shí)，頻移為17ppm)。也可用下述公式進(jìn)行計(jì)算:

7.導(dǎo)納圓

下圖是在導(dǎo)納平面坐標(biāo) (電導(dǎo)—電納) 上繪制的晶體諧振器共振特征。由于畫成了圓形，因此稱為導(dǎo)納圓。在頻率低于共振頻率時(shí)，導(dǎo)納靠近原點(diǎn)。在頻率增加時(shí)，導(dǎo)納按順時(shí)針?lè)较虍媹A。

8.振蕩裕量

即振蕩停止的裕量，這也是振蕩電路中zui重要的術(shù)語(yǔ)。振蕩裕量取決于組成振蕩電路的元件 (晶體諧振器、MCU、電容器以及電阻器) 。村田推薦維持5倍或更大的振蕩裕量。更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)關(guān)注本系列講座第二講。

9.負(fù)阻 (-R)

負(fù)阻是用阻抗表示的振蕩電路信號(hào)放大能力。由于其作用與電阻相反，所以是負(fù)值。負(fù)阻較高值小說(shuō)明振蕩電路的放大能力低。振蕩電路中的負(fù)阻取決于CMOS逆變器的特性、反饋電阻、阻尼電阻和外部負(fù)載電容。

10.驅(qū)動(dòng)功率

驅(qū)動(dòng)功率是指振蕩電路中晶體諧振器的功耗。它不僅取決于晶體諧振器的等效串聯(lián)電阻，還取決于組成振蕩電路的元件 (MCU、電容和電阻) 。在驅(qū)動(dòng)功率超額時(shí)，頻率—時(shí)間性能會(huì)出現(xiàn)不正常特性。在設(shè)計(jì)振蕩電路時(shí)，zui好檢查一下驅(qū)動(dòng)功率。

11.C-MOS逆變器

C-MOS是互補(bǔ)MOS，組成了相互連接的p和n型MOSFET。在下圖中起到逆變器 (邏輯逆變電路NOT) 的作用。

12.振蕩電路

在裝有C-MOS逆變器或晶體管的放大電路中，所謂的“振蕩電路”就是將輸出連接到輸入，以便持續(xù)放大反饋。只有通過(guò)晶體諧振器反饋才能選擇并放大共振頻率的信號(hào)。

13.其它術(shù)語(yǔ)

電路匹配

構(gòu)成電路的元件 (C-MOS逆變器、晶體諧振器、電阻和外部負(fù)載電容) 組合，會(huì)改變振蕩特性。因此，必須組成適當(dāng)?shù)碾娙萁M合，以獲得強(qiáng)大的振蕩電路。這種檢查和調(diào)整也稱為電路匹配。

標(biāo)稱頻率

標(biāo)稱頻率是指晶體諧振器生產(chǎn)商指定的晶體諧振器頻率。必須要知道的是，由于MCU、PCB和外部負(fù)載電容的不同，實(shí)際振蕩頻率會(huì)偏離標(biāo)稱頻率。

頻率容限

是指操作環(huán)境中振蕩頻率超大允許偏差的頻率范圍。通常根據(jù)標(biāo)稱頻率用ppm表示。

反饋電阻

在振蕩電路中，反饋電阻與C-MOS逆變器并聯(lián)連接。它可能集成在MCU上。它的作用是平衡逆變器I/O間的DC電壓，而逆變器將起到放大器的作用。在反饋電阻沒(méi)有集成在MCU上時(shí)，非常好使用1Mohm作為外部反饋電阻。

阻尼電阻

阻尼電阻用于振蕩電路中C-MOS逆變器的輸出端。其作用是減小振蕩幅度，以降低降低功率。另一方面，必須注意振蕩裕量，因?yàn)槌~的阻尼電阻會(huì)引起振蕩停止。通常阻尼電阻的使用范圍是從0到2kΩ，它取決于MCU的特性。

外部負(fù)載電容

外部負(fù)載電容用于振蕩電路接地逆變器的輸入端和輸出端。它是直接影響負(fù)阻和振蕩頻率的重要元件。這些電容在CERALOCK中稱為“負(fù)載電容器”。另一方面，在晶體諧振器中，將其稱為“外部負(fù)載電容”，以區(qū)別于負(fù)載電容“Cs”。通常將兩個(gè)相同的電容用作外部負(fù)載電容。5到10pF作為外部負(fù)載電容是很適合的，這將取決于MCU的特性和安裝基板的寄生電容。

審核編輯：湯梓紅