晶体振荡器的原理与操作：第4部分——晶体振荡器–技术规范解读(2)

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晶体振荡器的原理与操作：第4部分——晶体振荡器–技术规范解读(2) [复制链接]

在本系列的上篇文章中，我们介绍了晶体的一些重要技术规范，例如晶体牵引范围、驱动功率、晶体稳定性与温度变化的关系，以及老化等。在这个部分，我们将继续探讨其余的技术规范，例如启动时间、晶体泛音和寄生波模。 启动时间：晶体振荡器启动时间是非常重要的参数，系统设计人员在使用之前必须查看数据表。在器件加电后并不会立即建立振荡，而是要等待几毫秒至几秒的时间。启动时间取决于各种参数，例如晶体频率、额定负载电容、倒相放大器的增益和负电阻等。造成启动时间长的一些主要原因有： ●具有很高的Q值和（或）高额定负载电容的晶体启动相对较慢。 ●具有高ESR电阻的晶体比低ESR电阻的晶体启动慢，因为高ESR会导致低振荡容差（对负电阻的裕量）。 ●较弱的环路增益也会导致较长的启动时间，因为与稳定的振荡相比，在启动过程中需要比较高的放大率或增益。 振荡器电路设计人员提供一种负载电容覆盖机制，用以改进启动时的负电阻。振荡一旦实现后负载电容就会被释放，以便让晶体以额定频率运行。注意，在这种配置下负载电容被集成到芯片内部，这样在启动过程中仅需简单开关即可切断负载电容。 图1给出了晶体在启动过程中的行为。从图中可以注意到，在加电后振荡并没有立即开始。振荡在一定时间后才开始建立，期间摆动次数逐渐增加，最终达到稳定。本实例中的总启动时间约为600μs。示波器的时间标尺进行了调整以便在一个屏幕上捕捉整个范围，因此看不到单个振荡周期。 图1：晶体启动 晶体泛音和寄生波模：晶体提供很多共振模式，可通过正确的晶体振荡器设计来实现。其中，主要响应也是最想得到的响应是“基波模式”，这种模式的能量最大，对振荡形成的贡献最大，并具有最低的ESR。除了基波模式外，晶体也能响应更高的共振频率——称为“泛音”。泛音总是奇数，即基波模式后面的数字，晶体可能具有3次泛音，5次泛音、7次泛音等。不要把泛音响应与基波频率的谐波相混淆。谐波总是低频率的整数倍数，但泛音并非是基波频率的准确倍数。但是，泛音响应的范围与同阶次的谐波响应很接近，即晶体的3次泛音响应一般在2.8至3.2倍基波响应的范围之内。在大部分应用中泛音模式是不需要的， 而且在不同电路中的激励程度或大或小。 当在未经调谐的数字电路中使用晶体时应特别注意，因为不需要的模式可能会因噪声、高驱动功率或低负电阻的原因而意外占据主导地位。为此，我们可以让晶体的3次泛音模式充分远离振荡器的电子3次谐波；或者尽量降低振荡器的放大器增益，但仍提供足够的负电阻以确保成功启动。 图2给出了泛音模式下晶体的电气等效模型。可以发现动生电容CX1（其中X代表泛音模式）随泛音模式的升高而减小。这里遵循一个近似规律，即X阶次泛音的电容等于基波电容除以泛音阶次的平方（方程式1）。此外，ESR随泛音的升高而增大。 图2：带泛音支路的晶体等效电路 图3给出了显示泛音的晶体扩展电抗曲线。从曲线中可以看到，在有些频率下晶体表现为纯电阻性，在其它频率下则处于电容性或电感性区域。主响应的形成需要振荡器的电气属性为晶体在该模式下的运行提供相应条件。这又一次告诉我们晶体工作模式不仅仅由晶体参数决定，还由振荡器设计中的电路决定。后者能过滤晶体的其它工作模式，使晶体处于单一工作模式中。 图3：晶体泛音和寄生波响应 尽管说大部分应用都不需要泛音模式，但在特定应用中应极力推荐使用泛音模式。例如在晶体需要承受强烈机械振动的情况下，3次泛音模式就优于相同频率的基波模式，因为3次泛音模式具有更高的机械稳定性。以3次泛音晶体振荡器设计为例，最简单的实现方式（还有其它方式）是对皮尔斯并联共振振荡器进行简单扩展。添加一个与CL2并联的电感器(L3)、电容器(C3)串联支路，如图4所示。在选择L3与C3的值时要使形成的并联共振电路的共振频率大概处于基波频率与3次泛音频率的中间。基波模式被L3-C3网络的滤波器特性所抑制，使整个电路在3次泛音下呈电容性，这正是3次泛音工作模式所需的。还可以利用适当的设计方案实现其它工作模式。 图4：3次泛音晶体振荡器 再次查看图3，我们注意到除了基波模式和泛音模式外还有晶体共振模式。这类响应称为寄生波响应。该模式属于低功耗模式，但可能使振荡器调谐到错误的频率上。寄生波响应出现在距离所需共振模式几kHz的临近范围内。该模式可能与温度有关，此时寄生波响应会因温度系数不同而穿过主节点；或者在晶体经受机械振动时出现，此时机械振动会小幅改变共振频率。