歐美品牌EUROQUARTZ振蕩器電路技術(shù)特別篇
　　去年金洛鑫電子官網(wǎng)上線了許多新品牌,主要都是來自歐洲,美國,日本和韓國等地,Euroquartz晶振是知名度比較大的一家歐美晶振品牌,比起其他廠家成立的時(shí)間不算很長,但在整個(gè)歐美電子市場上,有一定的份量.最大的原因就是EUROQUARTZ公司擁有自己獨(dú)特的技術(shù),可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量,并且有效的降低成本,其晶體振蕩器電路技術(shù),在行業(yè)里是得到認(rèn)可的先進(jìn).詳情請看以下內(nèi)容.
　　如果您是主要從事數(shù)字設(shè)備工作的工程師,那么這些說明應(yīng)該使您重新熟悉一些模擬理論.這種處理是非數(shù)學(xué)的,著重于電路設(shè)計(jì)的實(shí)際方面.各種振蕩器的設(shè)計(jì)表明,只需稍作試驗(yàn)就可以輕松修改以滿足您的要求.如果您希望對該主題進(jìn)行更”深入”的處理,則附錄包含公式和進(jìn)一步閱讀的列表.
串聯(lián)還是并聯(lián)?
　　關(guān)于特定電路裝置是否需要并聯(lián)或串聯(lián)諧振晶體常常會造成混淆.為了澄清這一點(diǎn),考慮晶體等效電路和晶體制造商校準(zhǔn)晶體產(chǎn)品的方法是很有用的.(一些近似公式在附錄中給出.)“串聯(lián)”和”平行”晶體之間沒有內(nèi)在的區(qū)別.僅僅是它們在校準(zhǔn)頻率下對外部電路的阻抗問題.晶體表現(xiàn)出兩個(gè)非常接近的主共振,并且在共振時(shí)呈現(xiàn)出電阻性.串聯(lián)諧振是低頻,低電阻諧振;并聯(lián)或反諧振是高電阻諧振.在實(shí)踐中,您始終將振蕩頻率位于兩個(gè)共振之間的晶振視為平行共振.

晶體等效電路

　　在上面的晶體等效電路中,L1,C1和R1是晶體運(yùn)動(dòng)參數(shù),C0是晶體電極之間的電容,以及由于其安裝和引出布置而引起的電容.由于在A處施加了可變頻率的恒定電壓源的結(jié)果,流入B處的負(fù)載的電流如下圖所示.
　　在低頻下,晶體運(yùn)動(dòng)臂的阻抗極高,并且電流僅由于C0的電抗降低而隨頻率增加而上升.L1與C1諧振時(shí)達(dá)到頻率fr,電流急劇上升,僅受串聯(lián)的RL和晶體運(yùn)動(dòng)電阻R1限制.在僅稍高的頻率下,運(yùn)動(dòng)臂會表現(xiàn)出增加的凈感抗,該感抗與fa處的C0發(fā)生諧振,導(dǎo)致電流降至非常低的值.fr和fa之間的差異取決于fr和C1與C0的比值.在更高的頻率下,不管其他晶體振動(dòng)模式如何,電流都會恢復(fù)到僅由C0引起的電流.
　　在兩個(gè)諧振頻率下,晶體”看起來”像一個(gè)電阻,施加的電壓和產(chǎn)生的負(fù)載電流同相.實(shí)際上,由于等效電路中R1和C0的相對位置,實(shí)際情況并非如此.零相頻率與最大和最小傳輸頻率并不完全相同,但是在低于100MHz的頻率下,C0的電抗比R1高,可以認(rèn)為是這樣.任何石英晶體振蕩器的確切頻率都取決于其內(nèi)電壓和電流的相對相位,而不僅僅是印在晶體罐上的頻率.為了在所需頻率下發(fā)生振蕩,必須在該頻率上存在正反饋或零環(huán)路相移.
網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型
　　大多數(shù)晶體振蕩器的設(shè)計(jì)目的是使晶體在電阻呈fr的fr或fr與fa之間的頻率工作;讓我們稱此頻率為fL,在該頻率下晶體呈現(xiàn)感應(yīng)性.在這種情況下,連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換(請參見上一頁的電路)使您可以將晶振電路減少到只有兩個(gè)分量:凈電感和等效等效并聯(lián)或串聯(lián)電阻.

　　由于(Q)非常高,因此感抗與電阻之比很高,因此在(b)到(c)以及(d)到(e)的變換中,我們可以保持相同的電感值.我們可以說,”出于所有目的和目的”,與晶體并聯(lián)放置的負(fù)載電容器CL會以與晶體串聯(lián)的相同頻率(fL)與晶體諧振.因此,當(dāng)我們留下高電阻值(EPR)或低電阻值(ESR)時(shí),該頻率下的負(fù)載電流將與施加的電壓同相.
晶體校準(zhǔn)
　　為了使我們作為晶體制造商能夠正確地校準(zhǔn)晶體,我們需要知道您的電路在fr和fa之間的哪個(gè)點(diǎn)會使晶體振蕩.如果您的頻率為fr,則相關(guān)性沒有問題;我們只需調(diào)整晶體,使最接近最大傳輸頻率的零相移頻率在指定的容差范圍內(nèi).對于晶體必須具有感性的振蕩器,我們需要知道振蕩器電路將向晶體提供什么樣的有效負(fù)載電容.在這種情況下,步驟相同,只是晶體和該值電容器的串聯(lián)組合單獨(dú)代替了晶體.所有這種類型的實(shí)用振蕩器電路,即使只”雜散”,也會增加晶體電容,出于多種原因,建議將其提高到18pF,20pF或30pF的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值之一.

　　在具有低阻抗正反饋路徑的調(diào)諧振蕩器中,該路徑可以由非電感可變電阻器或晶體來完成,如果振蕩器被調(diào)整為使得其振蕩頻率和振幅對于兩個(gè)路徑都是相同的,則晶體將作為其零相頻率Fr振蕩,并且可變電阻器的值將等于晶體等效電路中的R1值.類似地,如果校準(zhǔn)的”負(fù)載”電容與晶體串聯(lián),振蕩將發(fā)生在前線,可變電阻將等于晶體的ESR.實(shí)際上,由于晶體和可變電容連接點(diǎn)處不可避免的雜散電容導(dǎo)致的誤差,通常會計(jì)算而不是測量ESR數(shù)字.

晶體阻抗儀

　　在常規(guī)電橋中測量C0之后,可以將值分配給L1,C1和EPR.這是上面的晶體阻抗計(jì)的基礎(chǔ).大約60MHz以上的晶體C0會引起非晶體控制的振蕩.實(shí)際上,如果電抗小于R1值的一半,則不存在零相條件.因此,在非常高的頻率下,C0通常被平衡或調(diào)出,fL讀數(shù)變得毫無意義.可替代地,最大傳輸頻率(fM)可以通過其他方式測量.
相位零測量系統(tǒng)
　　IEC已采用了零位相位測量系統(tǒng)(PZMS).在該系統(tǒng)中,晶體被制成低阻抗pi網(wǎng)絡(luò)衰減器的串聯(lián)臂,其輸入由頻率合成器驅(qū)動(dòng),而輸出則被電阻端接.pi網(wǎng)絡(luò)的每一端都連接到矢量電壓表的探針,該電壓表的AFC輸出控制合成器的頻率,以便如果晶體具有串聯(lián)的負(fù)載電容器,則系統(tǒng)會自動(dòng)鎖定到晶體fr或fL.計(jì)算網(wǎng)絡(luò)損耗的等效電阻.PZMS具有很高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性,并在晶體制造中提供了其他重要優(yōu)勢.
振蕩條件振蕩器相移
　　任何振蕩器,無論是RC,LC還是晶體控制振蕩器,都需要滿足兩個(gè)條件才能以所需的頻率工作.在該頻率下,其環(huán)路增益必須大于1,并且環(huán)路相移必須為零(2n弧度,其中n=0或一個(gè)整數(shù)).
實(shí)際上,振蕩器可以分為兩組:
　　1.)同相維持放大器.
　　反饋網(wǎng)絡(luò)必須在工作頻率上提供零相移.
　　2.)反相維護(hù)放大器.
　　反饋網(wǎng)絡(luò)必須提供π弧度.

放大器反饋網(wǎng)絡(luò)

　　由于晶體在其串聯(lián)諧振頻率fr處顯示出零相移,因此它本身就可以充當(dāng)反饋組件.(上面的1.).只要放大器具有足夠的增益來克服由于其輸入和輸出電阻以及晶體R1充當(dāng)分壓器而引起的損耗,電路就會在fr處振蕩.
　　如果將與校準(zhǔn)晶體的負(fù)載電容相等的電容器與晶體串聯(lián)放置,則也可以使電路在負(fù)載或并聯(lián)諧振頻率下振蕩.如果是微調(diào)器,則額外的電容器可提供一種方便的方式來調(diào)節(jié)有源晶振頻率,并可用于調(diào)整晶體校準(zhǔn)容差.但是,由于晶振的ESR略高于R1(取決于CL和C0),因此需要更多的放大器增益.
　　實(shí)際上,不存在沒有多余相移的”完美放大器”.某些同相放大器,特別是微處理器時(shí)鐘和采用級聯(lián)邏輯電路的放大器,在工作頻率下可能會出現(xiàn)明顯的滯后相移.更糟糕的是,在某些電路中,由于這些放大器中存在許多非線性有源級,因此在整個(gè)工作周期中,滯后不是恒定的.結(jié)果是差的短期穩(wěn)定性或抖動(dòng).

振蕩器相移

　　在晶體看來,放大器內(nèi)恒定的滯后相移表現(xiàn)為電感Leq,如(1)所示.)與完美的放大器串聯(lián).為了實(shí)現(xiàn)振蕩,電路必須提供容抗以抵消該電感;這意味著,它必須以低于fr的頻率振蕩.危險(xiǎn)在于,由于與晶體C0諧振的電感以及與之并聯(lián)的任何”漂移”,可能會發(fā)生非晶體控制的振蕩.為了將晶體拉回到fr,可以通過串聯(lián)電容CL來消除Leq,如圖(2)所示.)上面.在這種情況下,必須認(rèn)識到,由于晶體還是電阻性的,C1不是晶體負(fù)載電容.
相轉(zhuǎn)化

　　以上電路顯示了產(chǎn)生進(jìn)一步相位反轉(zhuǎn)所需的反饋網(wǎng)絡(luò).對于弧度的相移,網(wǎng)絡(luò)的要求是兩個(gè)串聯(lián)電抗的總和(不必相等)可以抵消第三個(gè)電抗.當(dāng)兩個(gè)臂共振時(shí)會發(fā)生這種情況.圖(1)表示被稱為Pierce振蕩器的結(jié)構(gòu)及其關(guān)系,即Colpitts和Clapp.圖(2.)代表Hartley和Miller.
　　由于已經(jīng)對平行諧振晶體進(jìn)行了校準(zhǔn),以在其顯著頻率下提供感抗,因此可以代替上述正感之一.只要出現(xiàn)在諧振器上的總電容(包括由于放大器和雜散引起的總電容)等于其振蕩產(chǎn)生的負(fù)載電容,電路就將在頻率上工作.電容器之一可以是微調(diào)器,以實(shí)現(xiàn)微調(diào).與同相配置相比,該放大器可能是更完美的放大器,因?yàn)閮H需使用一個(gè)有源級.
阻抗反相振蕩器
　　上面的電路(1.)的一種變體是阻抗反相振蕩器.使用Pierce或Colpitts電路,而不是讓晶體抵消振蕩器的電抗,應(yīng)在晶體上串聯(lián)一個(gè)電感.這種布置通常用于使用泛音晶體的振蕩器中,以提供選擇性,從而降低不必要模式的可能性,并且還允許使用串聯(lián)校準(zhǔn)的晶體.(在非常高的頻率下這是強(qiáng)制性的.)但是請注意,振蕩不會通過晶體C0發(fā)生.如果將晶體拉高至fr,則可能發(fā)生這種情況.

典型的振蕩器電路

巴特勒振蕩器
　　巴特勒振蕩器的維持放大器由一個(gè)調(diào)出的同相接地基極級和一個(gè)射極跟隨器組成,后者也是同相的.暫時(shí)用低阻值的電阻代替晶體將引起振蕩,該振蕩由接地基極的集電極中的LC儲罐控制.如果電容器CC只是一個(gè)隔直電容器,并且自由運(yùn)行頻率與晶體fr一致,則振蕩將被控制在fr附近.與在晶體阻抗計(jì)中一樣,對于并聯(lián)校準(zhǔn)的晶體,CC可以等于晶體負(fù)載電容.
巴特勒振蕩器的用途
　　作為調(diào)諧振蕩器,巴特勒可用于高達(dá)100MHz的泛音晶體工作.但是,由于振蕩可能會通過晶體C0發(fā)生,因此建議使用一個(gè)較小的并聯(lián)電感器來消除這種振蕩.如果在振蕩電路的振蕩電路中放一個(gè)低阻抗抽頭,則可以省去發(fā)射極跟隨器.電路隨后變?yōu)榻拥卣袷幤?要使用基本模式晶體工作,可以用一個(gè)電阻器代替LC儲罐.

皮爾斯和科爾皮特振蕩器
　　Pierce和Colpitts振蕩器的電路布置相似.電容器Ca和Cb與來自反饋網(wǎng)絡(luò)的晶體一起分別連接在相同的晶體管電極之間.兩個(gè)振蕩器的設(shè)計(jì)方程式相同,只是在哪個(gè)晶體管電極接地方面有所不同.
　　皮爾斯振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是晶體管偏置電阻鏈僅使Ca分流.在Colpitts中,Ca和Cb串聯(lián)分流,其總電抗比單獨(dú)的Ca大.當(dāng)您更有效地分流晶體EPR時(shí),這會對電路Q產(chǎn)生更大的影響.對于相同的振蕩幅度,將需要更高的晶體管電流,并且短期穩(wěn)定性會受到更大的影響.可以使用FET來克服此問題,但是FET的溫度穩(wěn)定性不高,并且需要比雙極型器件更高的工作電流.
　　兩個(gè)電容器Ca或Cb之一可以用微調(diào)器代替,但是由于它們的串聯(lián)組合可能高于晶體負(fù)載電容的正常值,因此更常見的是將微調(diào)器與晶體串聯(lián).Pierce和Colpitts振蕩器的優(yōu)勢在于,由于Ca和Cb與晶體管動(dòng)態(tài)電容并聯(lián),因此,它們越大,沼澤效應(yīng)越大,振蕩器的穩(wěn)定性也越好.
增益和驅(qū)動(dòng)水平
　　為確保在錯(cuò)誤的晶振模式下不受寄生或振蕩的影響,建議確保環(huán)路增益恰好足以確保在最壞情況下的令人滿意的工作.晶體在其活動(dòng)極限時(shí)的振蕩所需的增益裕度極限只有2到3倍就足夠了.
驅(qū)動(dòng)等級
　　低頻晶體,尤其是微型晶體,很容易因過度驅(qū)動(dòng)而損壞,如果VHF晶體未在校準(zhǔn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)電平的至少一個(gè)數(shù)量級內(nèi)運(yùn)行,則它們可能會出現(xiàn)明顯的頻移.如果需要高度的穩(wěn)定性,建議不要超過制造商建議的最大驅(qū)動(dòng)器級別.精確的頻率標(biāo)準(zhǔn)通常會在一個(gè)1毫瓦以下的頻率下運(yùn)行高頻晶體,通過AGC電路而不是有源器件本身的限制作用將其保持在該水平.
　　如果可能的話,在考慮下一級需求之前,應(yīng)對電路的穩(wěn)定性,增益和驅(qū)動(dòng)電平進(jìn)行優(yōu)化.只要考慮阻抗水平,就可以從電路的各個(gè)部分提取信號.振蕩器電路的過大負(fù)載將影響穩(wěn)定性和增益裕度.
150kHz以下的實(shí)用電路
　　構(gòu)成同相放大器的兩個(gè)接地發(fā)射極晶體管提供了必要的增益,以保證在這些頻率下晶體的低活動(dòng)性時(shí)產(chǎn)生振蕩.L1和C2振蕩電路應(yīng)進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)最大輸出,從而提供一定的選擇性并防止在錯(cuò)誤的石英晶振模式下產(chǎn)生振蕩.二極管D1和D2將晶體驅(qū)動(dòng)器限制在標(biāo)準(zhǔn)晶體的安全水平.為了進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)整,Cc可以是微調(diào)器,其中間值應(yīng)近似等于平行校準(zhǔn)晶體的負(fù)載電容.

　　構(gòu)成同相放大器的兩個(gè)接地發(fā)射極晶體管提供了必要的增益,以保證在這些頻率下晶體的低活動(dòng)性時(shí)產(chǎn)生振蕩.L1和C2振蕩電路應(yīng)進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)最大輸出,從而提供一定的選擇性并防止在錯(cuò)誤的晶振模式下產(chǎn)生振蕩.二極管D1和D2將晶體驅(qū)動(dòng)器限制在標(biāo)準(zhǔn)晶體的安全水平.為了進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)整,Cc可以是微調(diào)器,其中間值應(yīng)近似等于平行校準(zhǔn)晶體的負(fù)載電容.
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