關于陶瓷晶振全面的振動工作原理分析白皮書

很多人認為目前陶瓷諧振器已經沒有多大的市場了,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用范圍比較廣泛,而且在價格和貨源方面非常具有優勢,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,主要應用到電氣設備,復印機,遙控器,兒童玩具,游戲機及其他一些消費電子產品.本文的主要目的就是帶大家一起認識了解下,陶瓷諧振器是如何振蕩工作的,以及其電路設計資料.

等效電路常數: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)之間的頻率范圍內變為電感性.它在其他頻率范圍內具有電容性.這意味著可以用等效電路代替二端諧振器的機械咬合,該等效電路由串聯和并聯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確定.等效電路常數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的比較.請注意,電容和Qm的差異很大,導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的標準值.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為感應的事實,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.當滿足跟隨條件時發生振蕩.環路增益: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為是相同的. 

應用領域:

典型的振蕩電路:陶瓷諧振器最常見的振蕩電路是Colpitts電路.電路的設計隨應用和要使用的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的差異引起的.以下是一些典型示例.

設計注意事項:使用反相器門將振蕩電路配置為數字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的負載.另外,反饋電路的相位穩定.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.

負載電容:負載電容CL1和CL2具有180度的相位滯后.應根據應用,所用IC和頻率來適當選擇這些值.如果CL1和CL2的值比必要的要低,則高頻時的環路增益會增加,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,振蕩頻率受負載電容的影響.當需要嚴格限制振蕩頻率時,應謹慎定義其值.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,當使用三級緩沖型逆變器(例如4049組)時,環形振蕩或CR振蕩是一個典型的問題.ECS采用RCACD4O69UBE作為CMOS標準電路,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,負載電容CL1和CL2的值應大于CMOS的值.此外,反饋電阻Rf應該小到幾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:下一頁顯示的振蕩器電路是ECS晶振標準測試電路.這些電路中使用的逆變器被廣泛接受為行業標準,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,應用會因所使用的IC而異,并且可以預期,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.鑒于標準ECS陶瓷諧振器已按100%的頻率對下一頁的測試電路進行了分類,因此將我們的標準電路的振蕩頻率與客戶指定電路的振蕩頻率相關聯相對容易.例如,如果所使用的微處理器是頻率為4MHz的Motorola6805,則正確的ECS部件號應為ZTA4.OMG(頻率按CD4O69UBE CMOS測試電路排序).電路參數應選擇如下: 

通過實際設置此電路以及下面圖3.1所示的標準測試電路,可以建立將ZTA5.OMG與6805處理器配合使用時可以預期的平均偏移.實際數據如下所示: 

根據該數據,可以預測標準ZTA 4.00MG諧振器將比原始4.00MHz+0.5%初始容差產生約+0.06%的頻移.這當然可以忽略不計,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結合在一起被廣泛應用.以下是一些苛刻的應用示例.

微處理器的應用: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%,因此標準單位可以滿足此要求.向您的ECS或LSI制造商詢問有關電路常數的信息,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位微處理器的應用,而圖B示出了具有8位微處理器的應用.

遠程控制IC:遠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被載波信號發生器分頻,從而產生大約38KHz的載波. 

VCO(壓控晶振)電路:VCO電路用于電視和音頻設備,因為需要與廣播電臺發送的導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,現在使用陶瓷諧振器是因為它們不需要調整,并且比舊式電路具有更高的穩定性.VCO應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用,通常由用戶根據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,請聯系您當地的ECS銷售代表.如前所述,陶瓷諧振器有許多應用.一些更專用的振蕩器電路要求針對該應用和IC開發獨特的陶瓷諧振器.

振蕩上升時間

振蕩上升時間是指在激活IC電源時,振蕩從瞬態區域發展到穩定區域的時間.對于陶瓷諧振器,它被定義為在穩定條件下達到振蕩水平的90%的時間,如圖6.1所示.上升時間主要是振蕩電路設計的函數.通常,較小的負載電容,較高頻率的陶瓷諧振器和較小尺寸的陶瓷諧振器將導致較快的上升時間.隨著諧振器電容的減小,負載電容的影響變得更加明顯.圖6.2顯示了相對于負載電容(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晶振供應商聯系,以了解特定種類的IC和LSI的詳細振蕩特性.在-20℃至+80℃的范圍內,抗溫度變化的穩定性為+0.3至0.5%,盡管其隨陶瓷材料而略有變化.負載電容(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,實際測量穩定性的示例參見上圖.

振蕩水平:以下是根據溫度,電源電壓和負載電容(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保持穩定,并且溫度特性應盡可能平坦.除非IC具有內部恒壓電源,否則此變化與電源電壓成線性關系.

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