關(guān)于陶瓷晶振全面的振動工作原理分析白皮書

很多人認(rèn)為目前陶瓷諧振器已經(jīng)沒有多大的市場了,因為近年來金屬面的貼片晶振或者插件石英晶體的銷量,是陶瓷晶振模塊的10倍以上,但是從市場情況來說,提出這個說法還為時尚早.因為陶瓷諧振器的應(yīng)用范圍比較廣泛,而且在價格和貨源方面非常具有優(yōu)勢,這也是為什么還有很多廠家依然在使用陶瓷晶振最大的因素,主要應(yīng)用到電氣設(shè)備,復(fù)印機,遙控器,兒童玩具,游戲機及其他一些消費電子產(chǎn)品.本文的主要目的就是帶大家一起認(rèn)識了解下,陶瓷諧振器是如何振蕩工作的,以及其電路設(shè)計資料.

等效電路常數(shù):圖1.2顯示了陶瓷諧振器的符號.端子之間測得的阻抗和相位特性如圖1.5所示.該圖說明了諧振器在提供最小阻抗的頻率fr(諧振頻率)和提供最大阻抗的頻率fa(反諧振頻率)之間的頻率范圍內(nèi)變?yōu)殡姼行?/span>.它在其他頻率范圍內(nèi)具有電容性.這意味著可以用等效電路代替二端諧振器的機械咬合,該等效電路由串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路的組合以及電感器L,電容器C和電阻器R組成.在諧振頻率附近,等效電路可以表示為如圖1.4所示.fr和fa頻率由壓電陶瓷材料及其物理參數(shù)確定.等效電路常數(shù)可以通過以下公式確定: 

考慮到fr的有限頻率范圍,如圖1.5所示,阻抗為Z=Re+jwLe(Le<=0).陶瓷諧振器應(yīng)作為具有損耗Re()的電感器Le(H)運行.圖1.1顯示了陶瓷諧振器和石英晶體諧振器之間等效電路常數(shù)的比較.請注意,電容和Qm的差異很大,導(dǎo)致實際工作時振蕩條件的差異.附錄中的表格顯示了每種陶瓷諧振器的等效電路常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值.除所需的振蕩模式外,還存在其他振蕩模式的高次諧波.由于陶瓷諧振器使用機械諧振,因此存在其他振蕩模式.圖1.6顯示了這些特性. 

基本振蕩電路

通常,振蕩電路可分為以下三種類型:

1.積極的反饋

2.負(fù)阻元件

3.對于陶瓷諧振器,壓電石英晶體和LC振蕩器,傳輸時間或相位的延遲是正反饋電路的選擇.

在使用LC的正反饋振蕩電路中,通常使用Colpitts和Hartley的調(diào)諧型反耦合振蕩電路.參見圖1.7.

在圖1.7中,使用了最基本的放大器晶體管.

振蕩頻率與在Colpitts電路中由L,CL1和Cl2組成的電路或在Hartley電路中由L1,L2和C組成的電路的諧振頻率大致相同.這些頻率可以由以下公式表示. 

在陶瓷諧振器振蕩器中,利用諧振器在諧振頻率和反諧振頻率之間變?yōu)楦袘?yīng)的事實,用陶瓷諧振器代替了電感器.最常用的電路是Colpitts電路.

這些振蕩電路的工作原理如圖2.1所示.當(dāng)滿足跟隨條件時發(fā)生振蕩.環(huán)路增益:G=a:B>1相位量:

在Colpitts電路中,使用180的反相,并且在反饋電路中使用L和C將其反相超過=180.陶瓷諧振器的操作可以認(rèn)為是相同的. 

應(yīng)用領(lǐng)域:

典型的振蕩電路:陶瓷諧振器最常見的振蕩電路是Colpitts電路.電路的設(shè)計隨應(yīng)用和要使用的IC等而變化.盡管電路的基本配置與晶體控制振蕩器的基本配置相同,但機械Q的差異是由電路常數(shù)的差異引起的.以下是一些典型示例.

設(shè)計注意事項:使用反相器門將振蕩電路配置為數(shù)字IC變得越來越普遍.下一頁的圖3.1顯示了帶有CMOS反相器的基本振蕩電路的配置.INV.1用作振蕩電路的反相放大器.INV.2用作波形整形器,還用作輸出的緩沖器.反饋電阻Rf在逆變器周圍提供負(fù)反饋,因此在加電時將開始振蕩.如果Rf的值太大而輸入逆變器的絕緣電阻太低,則由于環(huán)路增益的損失,振蕩將停止.另外,如果Rf太大,則可以將來自其他電路的噪聲引入振蕩電路.顯然,如果Rf為1M,通常與SMD型陶瓷晶振一起使用.阻尼電阻Rd具有以下功能,盡管有時會省略.這使得逆變器和反饋電路之間的耦合松動.從而降低了逆變器輸出側(cè)的負(fù)載.另外,反饋電路的相位穩(wěn)定.它還提供了一種降低較高頻率增益的方法,從而防止了寄生振蕩的可能性.

負(fù)載電容:負(fù)載電容CL1和CL2具有180度的相位滯后.應(yīng)根據(jù)應(yīng)用,所用IC和頻率來適當(dāng)選擇這些值.如果CL1和CL2的值比必要的要低,則高頻時的環(huán)路增益會增加,這反過來會增加寄生振蕩的可能性.這在厚度振動模式所在的4-5MHz附近尤其可能. 

這清楚地表明,振蕩頻率受負(fù)載電容的影響.當(dāng)需要嚴(yán)格限制振蕩頻率時,應(yīng)謹(jǐn)慎定義其值.CMOS反相器:CMOS反相器可用作反相放大器,4069CMOS組的單級類型最為有用.由于增益過大,當(dāng)使用三級緩沖型逆變器(例如4049組)時,環(huán)形振蕩或CR振蕩是一個典型的問題.ECS采用RCACD4O69UBE作為CMOS標(biāo)準(zhǔn)電路,如圖3.2所示.

HCMOS反相器電路:最近,高速CMOS(HCMOS)越來越多地用于允許微處理器實現(xiàn)高速和低功耗的電路.HCMOS反相器有兩種類型:無緩沖的74HCU系列和帶緩沖器的74HC系列.74HCU系統(tǒng)是陶瓷諧振器的最佳選擇.見圖3.3.

TTL反相器電路:由于阻抗匹配,負(fù)載電容CL1和CL2的值應(yīng)大于CMOS的值.此外,反饋電阻Rf應(yīng)該小到幾K.請注意,需要偏置電阻Rd才能正確確定DC工作點.

頻率相關(guān):下一頁顯示的振蕩器電路是ECS晶振標(biāo)準(zhǔn)測試電路.這些電路中使用的逆變器被廣泛接受為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),因為它們的特性代表了同一系列(CMOS/HCMOS/TTL)微處理器中的特性.自然,應(yīng)用會因所使用的IC而異,并且可以預(yù)期,振蕩器電路的特性會因IC的不同而有所差異.通常,這種變化可以忽略不計,只需將處理器分類為CMOS,HCMOS或TTL,就可以簡單地選擇陶瓷諧振器的零件號.鑒于標(biāo)準(zhǔn)ECS陶瓷諧振器已按100%的頻率對下一頁的測試電路進(jìn)行了分類,因此將我們的標(biāo)準(zhǔn)電路的振蕩頻率與客戶指定電路的振蕩頻率相關(guān)聯(lián)相對容易.例如,如果所使用的微處理器是頻率為4MHz的Motorola6805,則正確的ECS部件號應(yīng)為ZTA4.OMG(頻率按CD4O69UBE CMOS測試電路排序).電路參數(shù)應(yīng)選擇如下: 

通過實際設(shè)置此電路以及下面圖3.1所示的標(biāo)準(zhǔn)測試電路,可以建立將ZTA5.OMG與6805處理器配合使用時可以預(yù)期的平均偏移.實際數(shù)據(jù)如下所示: 

根據(jù)該數(shù)據(jù),可以預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)ZTA 4.00MG諧振器將比原始4.00MHz+0.5%初始容差產(chǎn)生約+0.06%的頻移.這當(dāng)然可以忽略不計,并且不會以任何方式影響電路性能. 

各種IC/LSI的電路:

陶瓷諧振器通過充分利用上述功能,與各種IC結(jié)合在一起被廣泛應(yīng)用.以下是一些苛刻的應(yīng)用示例.

微處理器的應(yīng)用:陶瓷諧振器最適合作為4位,8位和16位各種微處理器的穩(wěn)定振蕩元件.由于微處理器參考時鐘所需的一般頻率公差為+2%-3%,因此標(biāo)準(zhǔn)單位可以滿足此要求.向您的ECS或LSI制造商詢問有關(guān)電路常數(shù)的信息,因為它們隨頻率和所用LSI電路的不同而變化.圖A示出了具有4位微處理器的應(yīng)用,而圖B示出了具有8位微處理器的應(yīng)用.

遠(yuǎn)程控制IC:遠(yuǎn)程控制已越來越成為一種常見功能.振蕩頻率通常為400-500KHz,其中最流行的是455KHz.455KHz被載波信號發(fā)生器分頻,從而產(chǎn)生大約38KHz的載波. 

VCO(壓控晶振)電路:VCO電路用于電視和音頻設(shè)備,因為需要與廣播電臺發(fā)送的導(dǎo)頻信號同步處理信號.最初使用的是振蕩電路,例如LC和RC.但是,現(xiàn)在使用陶瓷諧振器是因為它們不需要調(diào)整,并且比舊式電路具有更高的穩(wěn)定性.VCO應(yīng)用的諧振器需要具有寬廣的可變頻率.

雜項:除了上述用途外,陶瓷諧振器還與IC廣泛用于語音合成和時鐘生成.對于一般的時序控制應(yīng)用,通常由用戶根據(jù)IC制造商的建議工作頻率范圍來選擇振蕩頻率.使用給定的IC選擇此頻率將決定哪種電路值和哪種陶瓷諧振器將是合適的.選擇陶瓷諧振器零件編號時,請聯(lián)系您當(dāng)?shù)氐?/span>ECS銷售代表.如前所述,陶瓷諧振器有許多應(yīng)用.一些更專用的振蕩器電路要求針對該應(yīng)用和IC開發(fā)獨特的陶瓷諧振器.

振蕩上升時間

振蕩上升時間是指在激活IC電源時,振蕩從瞬態(tài)區(qū)域發(fā)展到穩(wěn)定區(qū)域的時間.對于陶瓷諧振器,它被定義為在穩(wěn)定條件下達(dá)到振蕩水平的90%的時間,如圖6.1所示.上升時間主要是振蕩電路設(shè)計的函數(shù).通常,較小的負(fù)載電容,較高頻率的陶瓷諧振器和較小尺寸的陶瓷諧振器將導(dǎo)致較快的上升時間.隨著諧振器電容的減小,負(fù)載電容的影響變得更加明顯.圖6.2顯示了相對于負(fù)載電容(CL)和電源電壓的上升時間的實際測量值.值得注意的是,陶瓷諧振器的上升時間比石英晶體的上升時間快一到二十年.(這一點在圖6中用圖形表示.

起始電壓:起始電壓是指振蕩電路可以工作的最小電源電壓.啟動電壓受所有電路元件的影響.它主要由IC的特性決定.圖6.4顯示了針對負(fù)載電容的啟動電壓特性的實際測量示例. 

陶瓷諧振器的振動特性

下面描述基本電路中振蕩的一般特性.請與ECS晶振供應(yīng)商聯(lián)系,以了解特定種類的IC和LSI的詳細(xì)振蕩特性.在-20℃至+80℃的范圍內(nèi),抗溫度變化的穩(wěn)定性為+0.3至0.5%,盡管其隨陶瓷材料而略有變化.負(fù)載電容(CL1,CL2)對振蕩頻率的影響相對較高,這可以從fosc公式計算得出.由于工作電壓范圍內(nèi)的電容偏差為+0.1%,fosc的變化約為+0.1%.fosc也隨IC的特性而變化. 

電源電壓變化特性:對于給定的振蕩頻率,實際測量穩(wěn)定性的示例參見上圖.

振蕩水平:以下是根據(jù)溫度,電源電壓和負(fù)載電容(CL1,CL2)實際測量振蕩水平的示例.要求振蕩水平在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,并且溫度特性應(yīng)盡可能平坦.除非IC具有內(nèi)部恒壓電源,否則此變化與電源電壓成線性關(guān)系.

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