石英晶体振荡电路设计.docx

石英晶体振荡电路设计摘要：不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体，其性能指标也各不一样。这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、 管壳电容以及驱动电平。本应用笔记帮助读者理解这些指标参数，并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。 不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体，其性能指标也各不一样。这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、管壳电容以及驱动电平。本篇应用笔记帮助读者理解这些指标参数，并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。 晶体的等效电路见图1。图中包括了动态元件：电阻Rs、电感Lm、电容Cm和并联电容Co。这些动态元件决定了晶体的串联谐振频率和谐振器的Q值。并联电容Co是晶体电极、管壳和引腿作用的结果。图1. 晶体模型以下详细给出主要的性能指标。谐振频率晶体频率可以根据接收频率指定。由于MAX1470使用低端注入的10.7MHz中频，晶体频率可由下式给出(单位为MHz)：对于315MHz应用，晶体的频率可为4.7547MHz，而在433.92MHz应用时需要6.6128MHz晶体。仅基频模式的晶体需要指定(无需泛音)。谐振模式晶体具有两种谐振模式：串联(两个频率中的低频率)和并联(反谐振，两个频率中的高频率)。所有在振荡电路中呈现纯阻性时的晶体都表现出两种谐振模式。在串联谐振模式中，动态电容的容抗Cm、感抗Lm相等且极性相反，阻抗最小。在反谐振点。阻抗却是最大的，电流是最小的。在振荡器应用中不使用反谐振点。 通过添加外部元件(通常是电容)，石英晶体可振荡在串联与反谐振频率之间的任何频率上。在晶体工业中，这就是并联频率或者并联模式。这个频率高于串联谐振频率低于晶体真正的并联谐振频率(反谐振点)。图2给出了典型的晶体阻抗与频率关系的特性图。图2. 晶体阻抗相对频率负载电容和可牵引性在使用并联谐振模式时负载电容是晶体一个重要的指标。在该模式当中，晶体的总电抗呈现感性，与振荡器的负载电容并联，形成了LC谐振回路，决定了振荡器的频率。当负载电容值改变后，输出频率也随之改变。因而，晶体的生产商必须知道振荡器电路中的负载电容，这样可以在工厂中使用同样的负载电容来校准。如果使用谐振在不同的负载电容上的晶体，那么晶体频率将偏离额定的工作频率，这样参考频率将引入误差。因而，需要添加外部电容，改变负载电容，使晶体重新振荡到需要的工作频率上。图3给出MAX1470评估板电路里的晶体图。在这个电路中，C14和C15是串联牵引电容，而C16是并联牵引电容。Cevkit为等效的MAX1470芯片加上评估印刷板的寄生电容。Cevkit约为5pF。图3. 评估板晶体等效电路串联牵引电容会加快晶体振荡，而并联电容会减缓振荡。Cevkit为5pF，如果使用负载电容为5pF的晶体，会振荡到需要的频率上，因而无需外部的电容(C16不接，同时C14和C15在板上短接)。评估板本身使用3pF负载电容的晶体，需要两个15pF电容串联加速振荡。负载电容的计算如下：在这个例子中，如果不使用两个串联电容，4.7547MHz晶体会振荡在4.7544MHz，而接收机将调谐在314.98MHz而不是315.0MHz，频率误差约为20kHz，也就是60ppm。因而，关键是使用串联或者并联或者两种形式匹配晶体的负载容抗(取决于电容的值)。例如，1pF并联电容是6pF负载电容所需要的(或者以下的结合形式：C14 = C15 = 27pF, C16 = 5pF)。谨慎使用大电容值的C16，因为它会增大谐振电路的电流，导致晶体停振，图4给出了并联电容和振荡器电流的关系图。图4. 晶体振荡器电流与附加的并联负载电容的关系在定制的PCB板中，如果Cevkit未知，可以使用频谱分析仪监测中频(在信号进入频谱分析仪之前确保使用隔直电容)，然后使用串联和并联电容调谐中频频率至10.7MHz。串联电阻普通晶体的典型串联电阻为25至100。晶体制造商通常给出该电阻的特性并指定了其最大值。在MAX1470振荡电路中该电阻不要超过100。管壳或者并联电容这个便是晶体电极、管壳和引脚的电容。典型值范围为2pF至7pF。驱动电平必须限制晶体的功耗，在过分机械振动的条件下石英晶体会停振。由于非线性，晶体特性也会随驱动电平变化。晶体制造商会根据特殊生产线指定最大的驱动电平。使用驱动电平在1W范围内的晶体。以上这些性能指标可指导用户选择合适的晶体以满足MAX1470振荡电路的需要，能够改善接收机的整体性能。二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路如果用石英晶体取代LC振荡电路中的电感，就得到并联型石英晶体正弦波振荡电路，如左下图所示，电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。 2.串联型石英晶体振荡电路如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。电容Cb为旁路电容，对交流信号可视为短路。电路的第一级为共基放大电路，第二级为共集放大电路。若断开反馈，给放大电路加输入电压是，极性上“+”下“-”；则T1管集电极动态电位为“+”，T2管的发射极动态电位也为“+”。只有在石英晶体呈纯阻性，即产生串联谐振时，反馈电压才与输入电压同相，电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件。所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS。调整Rf的阻值，可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。哈特莱振荡电路与考毕兹振荡电路等LC型振荡电路，其振荡率是由电路中的线圈与电容所决定的。此一线圈与电容器并非只是指电路图上所表示的组件数值，尚包含有晶体管的电极间容量印刷电路铜箔图样内所包含的L，C成分。 因此，由于温度、电源等变化所引起的L，C值变化，也会使振荡频率发生变化。 而晶体振荡电路为利用压电元件的固有振动数，因此，较不易受电路中的杂散L，C成分的影响，可以得到频率稳定度很好的振荡电路。 晶体压电元件 为了提高振荡频率的稳定度，可以使用晶体或陶瓷(Cer-amic)振荡子等压电元件。此除了可以应用于高频率振荡电路以外，尚可以使用于钟表与计数器等基准时间产生电路。 压电元件为利用机械振动与电气振动间的相互转换的作用，而且其固有振动数是由几何尺寸所决定的。 图25所示的为晶体的电气特性。 (由于使用振荡器，可以使频率更为稳定。振荡领域为在串联谐振点fs与并联谐振点fp之间。) 图(a)所示的为其等效电路，图(b)所示的为其电抗(Reaetance)特性。fs为串联谐振频率点fp为并联谐振频率点，其谐振频率分别如下：， 将晶体与陶瓷振荡器此较，陶瓷振荡器的电感性范围fsfp为晶体的数十倍。因此，陶瓷振荡器的频率稳定度比晶体差一些。 使用皮尔斯振荡电路 利用晶体振荡电路所构成的振荡电路称为皮尔斯振荡电路。 此一皮尔斯振荡电路为利用晶体的电感性电抗。将此一电感性(L性)部分当做线圈，可以应用在哈特莱电路或考毕兹电路。 图26的电路称为皮尔斯B-E电路。其原型为图(b)的哈特莱振荡电路。哈特莱振荡电路的电容器为利用晶体管的集极-基极间电容量Cab。 此一谐振电路的工作原理为振荡频率与f谐振频率fo成为fof 关系时，此一谐振电路呈现电感性(L)，相当裁于线圈。 图(c)所示的为振荡电路的特性，将T的L先调整至最小，使谐振电路呈电感性。然后，再调整铁芯，使L增大，在谐振电路成为电容性时，会马上使振荡停止。接着，将调整点调至振荡停止点的稍微前方处即可。 图27所示的为皮尔斯C-B振荡电路，其原型为如图(b)所示的考毕兹振荡电路。 谐振频率fo与振荡频率f成为fo关系时，谐振电路便呈电容性(C性)工作原理。 图(c)所示的为振荡电路的特性，当谐振电路成为电感性时，振荡会马上停止。调整点为可以稳定振荡的P点。 无须调整的晶体振荡电路 在一般的皮尔斯电路中，需要调整谐振电路，此一电路并没有使用谐振电路，不必调整，也会产生振荡。 图28所示的为无调整晶体振荡电路。其原型为考毕兹振荡电路。 缺点是因为没有使用谐振电路，使得输出波形如照片4所示，成为含有很多高谐波成分的失真波形。 (虽然不必调整，但是，波形的高谐波成分多。可以用于数字电路的CLOCK时钟信号源。) 照片4 无调整晶体振荡电路的振荡输出波形 此一电路虽然为无调整，但是，仍然使用修整用电容(Tri-mmer)与晶体串联，使振荡频率可以微调整。 图29所示的为利用高谐波成分，取出基本波的3次高谐波，称之为3倍的overtone振荡电路。输出级的变压器为做为取出第3次高谐波用的滤波器。照片5所示的为其3次高谐波的波形。 (此为利用无调整电路的高谐波成分，在输出的谐振电路取出3倍频的30MHz信号。) 照片5 3倍频的振荡波形 (在无调整振荡电路的输出虽然包含很多高谐波成分。但是，利用频率选择电路可以得到良好的波形输出。)石英晶体(Crystal)振荡电路在实际应用中,要求振荡电路产生的输出信号应具有一定的频率稳定度。频率稳定度一般用频率的相对变化量来表示,为频率偏移，f为实际频率，f0为标准振荡频率。 对于RC振荡电路振荡频率稳定度比较差，LC振荡电路的频率稳定度比RC振荡电路好得多，但通常只能达到10-3数量级。为了提高振荡电路的频率稳定度，可采用石英晶体振荡电路，其频率稳定度一般可达到10-610-8量级，有的可高达10-910-11（一）石英晶体谐振器的阻抗特性 1. 结构和符号 石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分SiO2。它由晶片、涂银层、焊点构成。晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，其形状可以是正方形、矩形、或圆形；涂银层是在晶片两个面上镀上银层构成；再由焊点引出电极，石英成了晶体振荡器。 2. 压电效应 压电效应： 机械形变（由机械力作用于石英晶体所产生）晶片对应面上产生正、负电荷形成电场 在晶片对应面上加一电场石英晶片会产生机械变形。 压电谐振:在晶片两边外加一交变电压石英晶片会按交变电压频率产生机械振动 机械振动在两个电极产生交变电荷，在外电路中形成交变电流 当外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，晶片发生共振，此时机械振动幅度最大，晶片两面的电荷量和电路中的交变电流也最大，如同回路的谐振现象，故称为压电谐振。 （晶片的固有机械振动频率称为谐振频率，它只与晶片的几何尺寸有关，具有很高的稳定性，所以用石英晶体可以构成十分理想的谐振系统。 3. 等效电路Co 晶片静态电容(几 几十 pF) Lq 晶体的动态电感 (10?3? 102 H)(大)rq 等效摩擦损耗电阻(小)Cq 晶体的动态电容( 0.1 pF)(小)4. 频率特性和谐振频率 分析：（） 1. 当信号频率较低时，由于动态电容Cq值最小即容抗最大，故由它起主要作用，晶体呈现容性。 2. 随着频率的增加，Cq的容抗减小，而Lq的感抗逐渐增大，当信号频率f=fs时，Cq和Lq发生串联谐振，此时晶体的电抗为零；（） 3. 随着