模擬電路部分晶振設計
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，會受寄生電容影響，因此增加負載電容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確度。負載電容的選擇，應根據(jù)晶振供應商提供的datasheet的數(shù)值選擇。在許可范圍內(nèi)，負載電容值越低越好。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，可能會導致晶振的過分驅(qū)動（overdrive），導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. 晶振設計注意事項
在低功耗設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)。晶體的選擇應考慮以下幾個要素：諧振頻點、負載電容、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載電容的影響。對于負載電容的選擇，應根據(jù)晶振供應商提供的datasheet的數(shù)值選擇。在許可范圍內(nèi)，負載電容值越低越好。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.應該保持對晶振應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，晶振設計應該采用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于晶振設計進一步的幫助。
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的位置上設置一個電位計，將電位計的初始值設置為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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