大多數您所設計或使用的電子系統(tǒng)，都具有一或多個振蕩器來提供頻率以進行同步運作，作為頻率參考或實現準確的定時。本文將討論石英晶體振蕩器的優(yōu)點，以及一些可用的選擇。

在以微處理器為基礎的系統(tǒng)中，存在著數種不同的頻率訊號，用于執(zhí)行指令、將數據移入和移出內存，以及外部通訊接口。

一個簡單的嵌入式控制器可能擁有幾 MHz 的時鐘頻率，而個人計算機中的微處理器通常預期會有 15 MHz 的輸入頻率。這將在內部倍數增加，以提供 CPU 和其他子系統(tǒng)的頻率。系統(tǒng)中的其他組件可能都各有自己的頻率要求。例如，以太網絡控制器需要 25 MHz 的頻率，或實時頻率 (RTC) 需要 32.768 kHz。

射頻 (RF) 系統(tǒng)需要準確的頻率參考，以實現端對端通訊并可過濾不需要的訊號和噪聲。

關鍵振蕩器特性

除了提供指定頻率的基本需求外，依據您的產品應用，振蕩器可能還必須滿足其他需求。

例如，許多產品應用需要極為精確定義的頻率。對于需要透過序列或無線接口與其他裝置進行通訊的系統(tǒng)而言，這尤其重要。準確度通常以百萬分之一 (ppm) 為單位進行測量。

針對手持或電池供電的設備而言，擁有低功耗是十分重要的。對 RTC 來說尤其如此，因為即使在低功耗或待機模式下，電路的此一部分也將始終處于有效狀態(tài)。

最后，您可能需要考慮例如操作環(huán)境、成本和外形尺寸等各種因素。

完美諧振

任何振蕩器都使用某種諧振或微調電路，搭配放大和回饋來產生特定頻率輸出。

微調電路可以電阻電容 (RC) 或電感電容 (LC) 網絡為基礎。這些裝置較為簡單，且能在寬廣的范圍內變更頻率。不過，設計一個準確的 RC 或 LC 振蕩器，需要使用昂貴的精確組件。即便如此，它們也無法滿足許多產品應用所要求的最高準確度和穩(wěn)定性。

晶體 (通常為石英) 也可以作為諧振組件。將晶體切割為兩個平行的晶面，并在其上沉積金屬接點。石英具有壓電效應，代表將該晶體置于壓力下時，其晶面會產生電壓。相反地，在晶體上施加電壓時，晶體亦會改變形狀。

這種回饋會使晶體以其自然諧振頻率進行振蕩。這將由晶體的尺寸及其切割方式決定。最常見的裁切方式稱為 AT。這可以用于很廣泛的頻率范圍，并具有良好的熱穩(wěn)定性。

晶體諧振器具備很高的質量 (Q) 因子，這代表頻率是精確定義且非常穩(wěn)定，因此晶體可用作低成本、高準確度振蕩器的基礎。

圖1 晶體結構及等效電路

晶體諧振器結構和等效電路如圖 1 所示。值 Cp 代表兩個平行電極的電容。組件 Ls、Rs 和 Cs 代表晶體的機械屬性 (質量、內摩擦和彈性)。

等效電路表示存在兩種可能的諧振頻率：一種是由于 Ls 和 Cs 串聯所引起，另一種則是由于 Cp 與電感并聯所引起。

串聯諧振定義算式：

并聯諧振頻率算式：

這兩個頻率之間的距離通常小于 1%，且振蕩器電路

定義使用哪種諧振模式。大多數振蕩器使用并聯模式。

對于約 75 MHz 以上的高頻率而言，晶體可以基礎頻率或泛音的倍數進行振蕩。

振蕩器電路

振蕩器電路通常會整合到需要頻率訊號的裝置內。例如，許多微控制器和類似裝置都有兩個接腳，您可以在上面簡單地連接一個晶體和一對陶瓷電容器來完成電路。

圖2 振蕩器組件和雜散電容

電路的總負載電容 (CL) 需要與晶體的指定 CL 相符。這是由陶瓷電容器加上晶體封裝、振蕩器輸入接腳和電路板線路的任何雜散電容組成。

要準確計算電路中的所有雜散電容和寄生電容并不容易，因此您可以先進行預估 (通常在 4 至 6 pF 左右)，然后測量輸出頻率，以查看是否需要調整電容器的值。

如果總 CL 大于指定 CL，將會降低振蕩頻率。如果 CL 太低，則頻率將更高。

如果 CL 的高低過于懸殊，則振蕩器可能根本無法啟動。

圖3 振蕩器電路

您也可以使用晶體管或反向邏輯閘極作為回饋放大器，以建構外部振蕩器電路，如圖 3 所示。但是，即使大多數晶體廠商都會提供設計指南，但設計高質量振蕩器仍具有挑戰(zhàn)性；因此，購買現成的振蕩器模塊可能更為簡單。振蕩器模塊含一個晶體，以及包括負載電容器等所有需要的組件。這可以保證您以合理的價格獲得高效能振蕩器。您只需提供適合的電源供應器即可。

圖4 晶體振蕩器模塊

對于以太網絡接口或無線通信系統(tǒng)等要求準確和穩(wěn)定頻率的產品應用，晶體振蕩器模塊是不錯的選擇。

主題的變化

由于頻率會隨外部 CL 變化，使得建構能在很小范圍內調節(jié)輸出的晶體振蕩器成為可能。例如，這在接收器需要調整自己的頻率以符合接收訊號的 RF 應用中非常實用。

電壓控制晶體振蕩器 (VCXO) 使用稱為變容器 (或變容二極管) 的裝置作為負載電容器。變容器的電容會隨施加的控制電壓而變化，進而改變振蕩頻率。

VCXO 的關鍵參數為「牽引率」，控制電壓范圍和頻率抖動。

●   牽引率定義給定控制電壓變化時的頻率變化。較大的值表示振蕩器可以在較大的范圍內運作，但是較小的值表示較佳的穩(wěn)定性和較低的相位噪聲。最大調整范圍通常約為 +/-200 ppm。

●   控制電壓通常為 0 V 至 2 或 3V。

●   頻率抖動會高于固定頻率振蕩器，尤其是在限制狀態(tài)運作時調整范圍的極端情況下。

如果您在操作溫度范圍內要求的穩(wěn)定性，比普通晶體振蕩器所能提供的更大，則可能需要使用溫度補償晶體振蕩器 (TCXO)。這些也可以作為具有廣泛參數的現成模塊來提供。

TCXO 包含一個測量環(huán)境溫度，然后產生控制電壓以調整 VCXO 頻率的電路，以補償溫度變化所產生的影響。TCXO 會根據晶體的溫度頻率響應曲線計算所需的控制電壓。

TCXO 模塊通常也包括自己的穩(wěn)壓器，因此振蕩器不會受外部供應電壓變化的影響。

結論

石英晶體提供高度準確、穩(wěn)定且低成本的頻率參考。

晶體和晶體振蕩器具有廣泛的參數和實作方式，以滿足您的產品應用需求。

許多裝置都整合振蕩器電路，使設計過程變得非常簡單。

作為替代方案，特別是如果需要更高質量的頻率時，便可以使用晶體振蕩器模塊。與整合式振蕩器相比，它們通常具有更高的準確度和穩(wěn)定性。模塊也可提供電壓控制頻率或溫度補償。