晶体振荡器电路原理课件.ppt
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1、晶体振荡电路原理,1,ppt课件,前言 大家都熟悉基于Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的振荡器,但很少有人真正了解它是如何工作的。本文着重介绍了Pierce振荡器的基本知识,并提供一定理论算法来确定不同的外部器件的具体参数。,2,ppt课件,目 录 1 石英晶振的特性及模型 2 振荡器原理 3 Pierce振荡器 4 Pierce振荡器设计 4.1 反馈电阻RF 4.2 负载电容CL 4.3 振荡器的增益裕量 4.4 驱动级别DL外部电阻RExt计算 4.4.1 驱动级别DL计算 4.4.2 另一个驱动级别测量方法 4.4.3 外部电阻RExt计算 4.5 启动时间 4.6 晶振的牵引度(Pu
2、llability),3,ppt课件,石英晶振的特性及模型 石英晶体是一种可将电能和机械能相互转化的压电器件,能量转变发生在共振频率点上。它可用如下模型表示:石英晶体模型C0:等效电路中与串联臂并接的电容(静电电容)。Lm:(动态等效电感)代表晶振机械振动的惯性。Cm:(动态等效电容)代表晶振的弹性。Rm:(动态等效电阻)代表电路的损耗。,4,ppt课件,晶振的电抗可表示为以下方程(假设Rm可以忽略不计):,5,ppt课件,石英晶振的频域电抗特性,6,ppt课件,其中Fs的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注:它是Lm、Cm和Rm支路的谐振频率),其表达式如下:Fa是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐
3、振频率(译注:它是整个等效电路的谐振频率),使用等式(1),其表达式如下:,7,ppt课件,在Fs到Fa的区域即通常所谓的:“并联谐振区”(图2中的阴影部分),在这一区域晶振工作在并联谐振状态(译注:该区域就是晶振的正常工作区域,FaFs就是晶振的带宽。带宽越窄,晶振品质因素越高,振荡频率越稳定)。在此区域晶振呈电感特性,从而带来了相当于180 的相移。其频率FP(或者叫FL:负载频率)表达式如下:从表达式(4),我们知道可以通过调节负载电容CL来微调振荡器的频率,这就是为什么晶振制造商在其产品说明书中会指定外部负载电容CL值的原因。通过指定外部负载电容CL值,可以使晶振晶体振荡时达到其标称频
4、率。,8,ppt课件,下表给出了一个例子来说明如何调整外部参数来达到晶振电路的8MHz标称频率:等效数值 Rm=8 Lm=14.7mH Cm=0.027pF C0=5.57pF 使用表达式(2)、(3)和(4),我们可以计算出该晶振的Fs、Fa 及FP:Fs=7988768Hz,Fa=8008102Hz 如果该晶振的CL为10pF,则其振荡频率为:FP=7995695Hz。要使其达到准确的标称振荡频率8MHz,CL应该为4.02pF,9,ppt课件,2.振荡器原理 振荡器由一个放大器和反馈网络组成,反馈网络起到频率选择的作用。图3通过一个框图来说明振荡器的基本原理。A(f)是放大器部分,给这个
5、闭环系统提供能量以保持其振荡。B(f)是反馈通道,它决定了振荡器的频率。,10,ppt课件,为了起振,Barkhausen条件必须得到满足。即闭环增益应大于1,并且总相移为360。为了让振荡器工作,要保证|A(f)|.|B(f)|1。这意味着开环增益应远大于1,到达稳定振荡所需的时间取决于这个开环增益。然而,仅满足以上条件是不够解释为什么晶体振荡器可以开始振荡。为了起振,还需要向其提供启动所需的电能。一般来说,上电的能量瞬变以及噪声可以提供所需的能量。应当注意到,这个启动能量应该足够多,从而能够保证通过触发使振荡器在所需的频率工作。,11,ppt课件,实际上,在这种条件下的放大器是非常不稳定的
6、,任何干扰进入这种正反馈闭环系统都会使其不稳定并引发振荡启动。干扰可能源于上电,器件禁用/使能的操作以及晶振热噪声等.。同时必须注意到,只有在晶振工作频率范围内的噪声才能被放大,这部分相对于噪声的全部能量来说只是一小部分,这也就是为什么晶体振荡器需要相当长的时间才能启动的原因。,12,ppt课件,3.Pierce振荡器 皮尔斯振荡器有低功耗、低成本及良好的稳定性等特点,因此常见于通常的应用中。皮尔斯振荡器电路,13,ppt课件,Inv:内部反向器,作用等同于放大器。Q:石英或陶瓷晶振。RF:内部反馈电阻。(它的存在使反相器工作在线性区,从而使其获得增益,作用等同于放大器)。RExt:外部限流电
7、阻。CL1和CL2:两个外部负载电容。Cs:由于PCB布线及连接等寄生效应引起的等效杂散电容(OSC_IN和OSC_OUT管脚上)。,14,ppt课件,4 Pierce振荡器设计 在这一节中,将介绍Pierce振荡器各种参数的含义及如何确定这些参数的值。4.1 反馈电阻RF 在大多数情况下,反馈电阻RF是内嵌在振荡器电路内的(至少在ST的MCU中是如此)。它的作用是通过引入反馈使反相器的功能等同于放大器。Vin和Vout之间增加的反馈电阻使放大器在Vout Vin时产生偏置,迫使反向器工作在线性区域(图5中阴影区)。该放大器放大了晶振的正常工作区域内的在并联谐振区内的噪声(例如晶振的热噪声)(
8、译注:工作在线性区的反向器等同于一个反向放大器),从而引发晶振起振。在某些情况下,如果在起振后去掉反馈电阻RF,振荡器仍可以继续正常运转。,15,ppt课件,图5 反向器工作示意图 RF的典型值于下面给出。频率 反馈电阻范围 32.768kHz 10 至 25M 1MHz 5 至 10M 10MHz 1 至 5M20MHz 470k 至 5M,16,ppt课件,4.2 负载电容CL 负载电容CL是指连接到晶振上的终端电容。CL值取决于外部电容器CL1和CL2,刷电路板上的杂散电容(Cs)。CL值由晶振制造商给出。保证振荡频率精度,主要取决于振荡电路的负载电容与给定的电容值相同,保证振荡频率稳定
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