晶体振荡器的原理与操作：第3部分——晶体振荡器–技术规范解读(1)

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晶体振荡器的原理与操作：第3部分——晶体振荡器–技术规范解读(1) [复制链接]

在本系列文章的上一部分里，我们具体探讨了晶体振荡器的工作情况。现在我们将讨论内容延伸到与晶体振荡器有关的各种参数及其对最终系统设计的影响。 晶体牵引范围：串联共振频率和抗共振频率由非常小的值分开，通常是Fs的3000ppm。频率分离可通过方程式1得到（参考上一部分的方程式9）。 这个频率分离也被称为晶体的牵引范围。在上面的方程式中，C1/C0作为识别可牵引晶体的指示项。当为VCXO（电压控制晶体振荡器）应用选择合适的晶体时，可将其作为快速选择方法。 从上一部分的方程式10中推断，可通过调整负载电容CL将串联或并联共振晶体从特定工作频率牵引出来。利用方程式2计算FS与FP之间的差值(△FL)。 图1给出了连接皮尔斯振荡器的并联共振晶体上的测量结果，其中y轴代表输出频率对额定频率的偏离量(ppm)，x轴代表电容性负载。可以注意到，随着负载电容值的增加，晶体发生共振的频率要低于其额定的并联共振频率，反之亦然。曲线形状随晶体参数的不同而变化。曲线穿过0ppm时的CL值是额定的晶体负载电容。对于下面的图表，使用了额定值为8pF和54MHz的晶体。 图1：晶体频率与CL 驱动功率：晶体驱动功率定义了晶体的功耗。在设计晶体振荡器电路时，设计人员必须考虑晶体的最大驱动功率，并确保不超过该值。晶体制造商提供晶体能够承受的最大驱动功率数值。如果晶体过度激励，可能会导致RF辐射、快速老化、泛音模式振荡或者晶体的永久损坏。为避免这种情况，工程师在设计系统时应检查晶体的技术规范和振荡器电路。通常，ESR、C0/C1和CL参数最为重要，可用于计算驱动功率。这些值均由晶体制造商提供。 驱动功率可通过方程式3计算。 其中IRMS是流过晶体的电流，R1是动生电阻。用电流探针连接晶体引线以测量IRMS。如果无法测量电流，还可以用方程式4给的公式计算驱动功率。 其中R1是动生电阻，F是工作频率，VD是晶体的峰值电压，CL是外部负载电容， C0是分流电容。 现在我们来理解一下更高驱动功率的优势和局限性。 优势： ● 更高驱动功率有助于补偿晶体ESR电阻的压降，从而满足更高增益的启动要求。 ● 更高驱动功率提供更好的相位噪声性能（相位偏差会导致频率变化，以保持2nπ相位条件）。 局限性： ● 随着驱动功率的增加，晶体震荡的幅值也会增加。这可能导致过度老化，有些情况下会使晶体击穿。 ● 增加驱动功率还会引起震荡频率的变化，因为晶体功耗增加会使温度升高。 为确保晶体单元的驱动功率得到控制，大部分振荡器电路设计人员都提供内置的自动增益控制(AGC)功能，用于在增益穿过某个阈值或在震荡建立过程中减小放大器的增益。这样有助于减小驱动功率并保持更佳的稳定性。 频率稳定性与温度：温度变化是影响晶体频率的主要因素。对于在室温下具有0ppm频率精度的振荡器而言，在较高温度下其频率可变化50ppm以上。因此，必须为应用选择合适的晶体。AT切割晶体用下面的三次函数（方程式5）描述频率-温度特性。 其中A1、A2、A3取决于晶体的各种物理属性， △F/Fr是相对频率变化，在乘以100万后变化值可以用PPM表示。 晶体的温度稳定性由其制造商在晶体数据表中提供。下图2给出了高度稳定的晶体随温度变化的典型曲线。 图2：晶体频率与温度 老化：晶体老化实际上是晶体在使用过程中晶体频率随着时间推移发生缓慢变化的过程。既可发生在正方向也可发生在负方向。尽管这种变化仅为几十ppm，但在需要高精度时钟信号的电路中会变得比较严重。晶体老化可能涉及不同机理，但主要由污染和/或晶体的机械应力造成。 ● 污染– 氧化物生长或腐蚀引起的很小的质量变化都会干扰共振频率。晶体的质量会逐渐改变，原因是：石英（支架和玻璃）脱气；杂质或金属从电极向外扩散；或者晶格被辐射损坏。在晶体制造过程中，最佳的方法是让所有材料尽量干净，以避免因杂质出现任何污染或化学反应。 ● 机械应力 – 应力会因安装、电极和环氧基树脂的热膨胀而在晶体中积聚。晶状石英每个轴上的热膨胀差异也会形成内部应力并造成晶体老化。晶体制造过程中的切削操作会产生残留应力。此外，重力也会在晶体中产生机械应力。如果包含晶体的仪器的方向发生变化，那么重力会产生影响并改变频率。在高重力条件下重力的影响变得显著，例如加速仪器。 晶体制造商通常会在数据表中提供信息，告知在特定时间段内频率会发生多大的偏移。 在本系列文章的下一部分中，我们将介绍晶体的其它技术规范，例如启动时间、晶体泛音和寄生波模。