模拟电路部分晶振设计
发布日期:2019-07-24
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振荡器原理
振荡器是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。从能量的角度来说，正弦波振荡器是通过自激方式把直流电能转换为特定频率和幅度的正弦交变能量的电路。
对于任何一个带有反馈的放大电路，都可以画成下图所示结构：
当增益满足 ，且相位条件满足 时，构成正反馈环路，起振条件得以满足。上图即构成一个振荡器。
Pierce Oscillator
倒相器作为放大器，同时提供180度的相移。而晶振及负阻电容作为反馈回路，提供剩下的180度相移。RF为反馈电阻，用来决定倒相器 的直流工作点，使之工作在高增益区（线性区）。这个电阻值不能太小，否则会导致环路无法振荡。该电路利用晶振的并联谐振，由于并联谐振与C0有关，会受寄生电容影响，因此增加负载电容C1、C2，可减小C0对谐振频率的影响。同时C1、C2的加入会影响起振时间和振荡频率的准确度。负载电容的选择，应根据晶振供应商提供的datasheet的数值选择。在许可范围内，负载电容值越低越好。容值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。
Rs用于抑制高次谐波，从而使振荡器获得较为纯净的频谱。Rs的值若太小的话，可能会导致晶振的过分驱动（overdrive），导致晶振损坏或寿命减短。通常取 。Rs的影响可以由下图看出。
3. 晶振设计注意事项
在低功耗设计中晶体的选择非常重要，尤其带有睡眠唤醒的系统，往往使用低电压以求低功耗。由于低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。在振荡回路中，晶体既不能过激励(容易振到高次谐波上)也不能欠激励(不容易起振)。晶体的选择应考虑以下几个要素：谐振频点、负载电容、激励功率、温度特性、长期稳定性。换句话说，晶振可靠性工作不仅受到负载电容的影响。对于负载电容的选择，应根据晶振供应商提供的datasheet的数值选择。在许可范围内，负载电容值越低越好。容值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。有的晶振推荐电路甚至需要串联电阻RS，它一般用来来防止晶振被过分驱动。过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升，造成频率偏移，加速老化。
设计经验总结:
1.首先要选择一个低的等效串联电阻的晶体。晶体串联电阻低有利于解决起振的问题。因为低的晶体等效阻值有利于增加环路增益。
2.通过缩短印制电路板的连线间距来减低寄身电容。从而可以帮助解决起振问题和晶振频率稳定度的问题。
3.应该保持对晶振应用温度和电压范围保持监控，从而保持晶体起振频率有必要的话要调整电容电阻的值。
5.对于推荐最优化的R1的阻值可以这样得到，首先计算电容C1，C2的值，然后在R1的位置上设置一个电位计，将电位计的初始值设置为XC1。这样可以通过调节电位计来保证在所需要的频率下起振以及维持晶体稳态振荡。
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