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晶振與匹配電容的總結

2018-06-25 15:58:44 次瀏覽分類:行業動態

  1.匹配電容-----負載電容是指晶振要正常震蕩所需要的電容。一般外接電容,是為了使晶振兩端的等效電容等于或接近負載電容。要求高的場合還要考慮ic輸入端的對地電容。一般晶振兩端所接電容是所要求的負載電容的兩倍。這樣并聯起來就接近負載電容了。

  2.負載電容是指在電路中跨接晶體兩端的總的外界有效電容。他是一個測試條件,也是一個使用條件。應用時一般在給出負載電容值附近調整可以得到精確頻率。此電容的大小主要影響負載諧振頻率和等效負載諧振電阻。

  3.一般情況下,增大負載電容會使振蕩頻率下降,而減小負載電容會使振蕩頻率升高。

  4.負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內部及外部所有有效電容之和,可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振,負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率,一個是串聯揩振晶振的低負載電容晶振:另一個為并聯揩振晶振的高負載電容晶振。所以,標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至,不能冒然互換,否則會造成電器工作不正常。

  晶振旁的電阻(并聯與串聯)

  一份電路在其輸出端串接了一個22K的電阻,在其輸出端和輸入端之間接了一個10M的電阻,這是由于連接晶振的芯片端內部是一個線性運算放大器,將輸入進行反向180度輸出,晶振處的負載電容電阻組成的網絡提供另外180度的相移,整個環路的相移360度,滿足振蕩的相位條件,同時還要求閉環增益大于等于1,晶體才正常工作。

  晶振輸入輸出連接的電阻作用是產生負反饋,保證放大器工作在高增益的線性區,一般在M歐級,輸出端的電阻與負載電容組成網絡,提供180度相移,同時起到限流的作用,防止反向器輸出對晶振過驅動,損壞晶振。

  和晶振串聯的電阻常用來預防晶振被過分驅動。晶振過分驅動的后果是將逐漸損耗減少晶振的接觸電鍍,這將引起頻率的上升,并導致晶振的早期失效,又可以講drive level調整用。用來調整drive level和發振余裕度。

  Xin和Xout的內部一般是一個施密特反相器,反相器是不能驅動晶體震蕩的.因此,在反相器的兩端并聯一個電阻,由電阻完成將輸出的信號反向 180度反饋到輸入端形成負反饋,構成負反饋放大電路.晶體并在電阻上,電阻與晶體的等效阻抗是并聯關系,自己想一下是電阻大還是電阻小對晶體的阻抗影響小大?

  電阻的作用是將電路內部的反向器加一個反饋回路,形成放大器,當晶體并在其中會使反饋回路的交流等效按照晶體頻率諧振,由于晶體的Q值非常高,因此電阻在很大的范圍變化都不會影響輸出頻率。過去,曾經試驗此電路的穩定性時,試過從100K~20M都可以正常啟振,但會影響脈寬比的。

  晶體的Q值非常高, Q值是什么意思呢? 晶體的串聯等效阻抗是 Ze = Re + jXe, Re<< |jXe|, 晶體一般等效于一個Q很高很高的電感,相當于電感的導線電阻很小很小。Q一般達到10^-4量級。

  避免信號太強打壞晶體的。電阻一般比較大,一般是幾百K。

  串進去的電阻是用來限制振蕩幅度的,并進去的兩顆電容根據LZ的晶振為幾十MHZ一般是在20~30P左右,主要用與微調頻率和波形,并影響幅度,并進去的電阻就要看 IC spec了,有的是用來反饋的,有的是為過EMI的對策

  可是轉化為 并聯等效阻抗后,Re越小,Rp就越大,這是有現成的公式的。晶體的等效Rp很大很大。外面并的電阻是并到這個Rp上的,于是,降低了Rp值 -----> 增大了Re -----> 降低了Q

  關于晶振

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  石英晶體振蕩器是高精度和高穩定度的振蕩器,被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中,以及通信系統中用于頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。

  一、石英晶體振蕩器的基本原理

  1、石英晶體振蕩器的結構

  石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件,它的基本構成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極,在每個電極上各焊一根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

  2、壓電效應

  若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形。反之,若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下,晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時,振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。

  3、符號和等效電路

  當晶體不振動時,可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關,一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時,機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效,它的數值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質因數Q很大,可達1000~10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關,而且可以做得精確,因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩定度。

  4、諧振頻率

  從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個諧振頻率,即(1)當L、C、R支路發生串聯諧振時,它的等效阻抗最小(等于R)。串聯揩振頻率用fs表示,石英晶體對于串聯揩振頻率fs呈純阻性,(2)當頻率高于fs時L、C、R支路呈感性,可與電容C。發生并聯諧振,其并聯頻率用fd表示。

  根據石英晶體的等效電路,可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線。可見當頻率低于串聯諧振頻率fs或者頻率高于并聯揩振頻率fd時,石英晶體呈容性。僅在fs

  二、石英晶體振蕩器類型特點

  石英晶體振蕩器是由品質因素極高的石英晶體振子(即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等,共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類:普通晶體振蕩(TCXO),電壓控制式晶體振蕩器(VCXO),溫度補償式晶體振蕩(TCXO),恒溫控制式晶體振蕩(OCXO)。目前發展中的還有數字補償式晶體損振蕩(DCXO)等。

  普通晶體振蕩器(SPXO)可產生10^(-5)~10^(-4)量級的頻率精度,標準頻率1—100MHZ,頻率穩定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施,價格低廉,通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。

  電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)的精度是10^(-6)~10^(-5)量級,頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩定度是±50ppm。通常用于鎖相環路。封裝尺寸14×10×3mm。

  溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償,頻率精度達到10^(-7)~10^(-6)量級,頻率范圍1—60MHz,頻率穩定度為±1~±2.5ppm,封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。

  恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中,以消除環境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級,對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩定度在四種類型振蕩器中最高。

  三、石英晶體振蕩器的主要參數

  晶振的主要參數有標稱頻率,負載電容、頻率精度、頻率穩定度等。不同的晶振標稱頻率不同,標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有:48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz~40.50 MHz等,對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上,也有的沒有標稱頻率,如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內部及外部所有有效電容之和,可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振,負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率,一個是串聯揩振晶振的低負載電容晶振:另一個為并聯揩振晶振的高負載電容晶振。所以,標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至,不能冒然互換,否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩定度:由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求,對于高檔設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩定度從±1到±100ppm不等。這要根據具體的設備需要而選擇合適的晶振,如通信網絡,無線數據傳輸等系統就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此,晶振的參數決定了晶振的品質和性能。在實際應用中要根據具體要求選擇適當的晶振,因不同性能的晶振其價格不同,要求越高價格也越貴,一般選擇只要滿足要求即可。

  四、石英晶體振蕩器的發展趨勢

  1、小型化、薄片化和片式化:為滿足移動電話為代表的便攜式產品輕、薄、短小的要求,石英晶體振蕩器的封裝由傳統的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30~100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm,目前5×3mm尺寸的器件已經上市。

  2、高精度與高穩定度,目前無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm,VCXO的頻率穩定度在10~7℃范圍內一般可達±20~100ppm,而OCXO在同一溫度范圍內頻率穩定度一般為±0.0001~5ppm,VCXO控制在±25ppm以下。

  3、低噪聲,高頻化,在GPS通信系統中是不允許頻率顫抖的,相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數。目前OCXO主流產品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外,其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz。例如用于GSM等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器,其頻率為650~1700 MHz,電源電壓2.2~3.3V,工作電流8~10mA。

  4、低功能,快速啟動,低電壓工作,低電平驅動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產品,電流損耗不超過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術也取得突破性進展。例如日本精工生產的VG—2320SC型VCXO,在±0.1ppm規定值范圍條件下,頻率穩定時間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產的SMD TCXO,在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90%。OAK公司的10~25 MHz的OCXO產品,在預熱5分鐘后,則能達到±0.01 ppm的穩定度。

  五、石英晶體振蕩器的應用

  1、石英鐘走時準、耗電省、經久耐用為其最大優點。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路,其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度。從石英晶體振蕩器原理的示意圖中,其中V1和V2構成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調電容C2構成振蕩系統,這里石英晶體相當于電感。振蕩系統的元件參數確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻,R2為振蕩的穩定電阻,它們都集成在電路內部。故無法通過改變C1或C2的數值來調整走時精度。但此時我們仍可用加接一只電容C有方法,來改變振蕩系統參數,以調整走時精度。根據電子鐘表走時的快慢,調整電容有兩種接法:若走時偏快,則可在石英晶體兩端并接電容C,如圖4所示。此時系統總電容加大,振蕩頻率變低,走時減慢。若走時偏慢,則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時系統的總電容減小,振蕩頻率變高,走時增快。只要經過耐心的反復試驗,就可以調整走時精度。因此,晶振可用于時鐘信號發生器。

  2、隨著電視技術的發展,近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源,經1/3的分頻得到 15625Hz的行頻,其穩定性和可靠性大為提高。面且晶振價格便宜,更換容易。

  3、在通信系統產品中,石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現,同時也得到了更快的發展。許多高性能的石英晶振主要應用于通信網絡、無線數據傳輸、高速數字數據傳輸等。

  晶振的負載電容

  晶體元件的負載電容是指在電路中跨接晶體兩端的總的外界有效電容。是指晶振要正常震蕩所需要的電容。一般外接電容,是為了使晶振兩端的等效電容等于或接近負載電容。要求高的場合還要考慮ic輸入端的對地電容。應用時一般在給出負載電容值附近調整可以得到精確頻率。此電容的大小主要影響負載諧振頻率和等效負載諧振電阻。

  晶振的負載電容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd,Cg為分別接在晶振的兩個腳上和對地的電容,Cic(集成電路內部電容)+△C(PCB上電容).就是說負載電容15pf的話,兩邊個接27pf的差不多了,一般a為6.5~13.5pF

  各種邏輯芯片的晶振引腳可以等效為電容三點式振蕩器. 晶振引腳的內部通常是一個反相器, 或者是奇數個反相器串聯. 在晶振輸出引腳 XO 和晶振輸入引腳 XI 之間用一個電阻連接, 對于 CMOS 芯片通常是數 M 到數十 M 歐之間. 很多芯片的引腳內部已經包含了這個電阻, 引腳外部就不用接了. 這個電阻是為了使反相器在振蕩初始時處與線性狀態, 反相器就如同一個有很大增益的放大器, 以便于起振. 石英晶體也連接在晶振引腳的輸入和輸出之間, 等效為一個并聯諧振回路, 振蕩頻率應該是石英晶體的并聯諧振頻率. 晶體旁邊的兩個電容接地, 實際上就是電容三點式電路的分壓電容, 接地點就是分壓點. 以接地點即分壓點為參考點, 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的, 但從并聯諧振回路即石英晶體兩端來看, 形成一個正反饋以保證電路持續振蕩. 在芯片設計時, 這兩個電容就已經形成了, 一般是兩個的容量相等, 容量大小依工藝和版圖而不同, 但終歸是比較小, 不一定適合很寬的頻率范圍. 外接時大約是數 PF 到數十 PF, 依頻率和石英晶體的特性而定. 需要注意的是: 這兩個電容串聯的值是并聯在諧振回路上的, 會影響振蕩頻率. 當兩個電容量相等時, 反饋系數是 0.5, 一般是可以滿足振蕩條件的, 但如果不易起振或振蕩不穩定可以減小輸入端對地電容量, 而增加輸出端的值以提高反饋量.

  設計考慮事項:

  1.使晶振、外部電容器(如果有)與 IC之間的信號線盡可能保持最短。當非常低的電流通過IC晶振振蕩器時,如果線路太長,會使它對 EMC、ESD 與串擾產生非常敏感的影響。而且長線路還會給振蕩器增加寄生電容。

  2.盡可能將其它時鐘線路與頻繁切換的信號線路布置在遠離晶振連接的位置。

  3.當心晶振和地的走線

  4.將晶振外殼接地

  如果實際的負載電容配置不當,第一會引起線路參考頻率的誤差.另外如在發射接收電路上會使晶振的振蕩幅度下降(不在峰點),影響混頻信號的信號強度與信噪.

  當波形出現削峰,畸變時,可增加負載電阻調整(幾十K到幾百K).要穩定波形是并聯一個1M左右的反饋電阻。

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