模擬電路部分晶振設(shè)計
發(fā)布日期:2019-07-24
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振蕩器原理
振蕩器是一個沒有輸入信號的帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。從能量的角度來說，正弦波振蕩器是通過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。
對于任何一個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，構(gòu)成正反饋環(huán)路，起振條件得以滿足。上圖即構(gòu)成一個振蕩器。
Pierce Oscillator
倒相器作為放大器，同時提供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，用來決定倒相器 的直流工作點，使之工作在高增益區(qū)（線性區(qū)）。這個電阻值不能太小，否則會導(dǎo)致環(huán)路無法振蕩。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)，會受寄生電容影響，因此增加負(fù)載電容C1、C2，可減小C0對諧振頻率的影響。同時C1、C2的加入會影響起振時間和振蕩頻率的準(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，但將會增加起振時間。
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，可能會導(dǎo)致晶振的過分驅(qū)動（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)計注意事項
在低功耗設(shè)計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)位時并不特別明顯，上電時電路有足夠的擾動，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時，電路的擾動要比上電時小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(不容易起振)。晶體的選擇應(yīng)考慮以下幾個要素：諧振頻點、負(fù)載電容、激勵功率、溫度特性、長期穩(wěn)定性。換句話說，晶振可靠性工作不僅受到負(fù)載電容的影響。對于負(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，但將會增加起振時間。有的晶振推薦電路甚至需要串聯(lián)電阻RS，它一般用來來防止晶振被過分驅(qū)動。過分驅(qū)動晶振會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)計經(jīng)驗總結(jié):
1.首先要選擇一個低的等效串聯(lián)電阻的晶體。晶體串聯(lián)電阻低有利于解決起振的問題。因為低的晶體等效阻值有利于增加環(huán)路增益。
2.通過縮短印制電路板的連線間距來減低寄身電容。從而可以幫助解決起振問題和晶振頻率穩(wěn)定度的問題。
3.應(yīng)該保持對晶振應(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)計應(yīng)該采用Vdd峰峰值的至少40%作為驅(qū)動時鐘反相器的輸入信號。僅僅調(diào)節(jié)晶振兩端是不能達到這一要求的。我們也可以參考晶振制造商的使用說明來獲得關(guān)于晶振設(shè)計進一步的幫助。
5.對于推薦最優(yōu)化的R1的阻值可以這樣得到，首先計算電容C1，C2的值，然后在R1的位置上設(shè)置一個電位計，將電位計的初始值設(shè)置為XC1。這樣可以通過調(diào)節(jié)電位計來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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