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在本系列文章的上一部分里，我們具體探討了晶體振蕩器的工作情況。現(xiàn)在我們將討論內(nèi)容延伸到與晶體振蕩器有關(guān)的各種參數(shù)及其對最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。 晶體牽引范圍：串聯(lián)共振頻率和抗共振頻率由非常小的值分開，通常是Fs的3000ppm。頻率分離可通過方程式1得到（參考上一部分的方程式9）。 這個(gè)頻率分離也被稱為晶體的牽引范圍。在上面的方程式中，C1/C0作為識別可牽引晶體的指示項(xiàng)。當(dāng)為VCXO（電壓控制晶體振蕩器）應(yīng)用選擇合適的晶體時(shí)，可將其作為快速選擇方法。 從上一部分的方程式10中推斷，可通過調(diào)整負(fù)載電容CL將串聯(lián)或并聯(lián)共振晶體從特定工作頻率牽引出來。利用方程式2計(jì)算FS與FP之間的差值(△FL)。 圖1給出了連接皮爾斯振蕩器的并聯(lián)共振晶體上的測量結(jié)果，其中y軸代表輸出頻率對額定頻率的偏離量(ppm)，x軸代表電容性負(fù)載。可以注意到，隨著負(fù)載電容值的增加，晶體發(fā)生共振的頻率要低于其額定的并聯(lián)共振頻率，反之亦然。曲線形狀隨晶體參數(shù)的不同而變化。曲線穿過0ppm時(shí)的CL值是額定的晶體負(fù)載電容。對于下面的圖表，使用了額定值為8pF和54MHz的晶體。 圖1：晶體頻率與CL 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：晶體牽引范圍 第2頁：驅(qū)動(dòng)功率 第3頁：頻率穩(wěn)定性與溫度 第4頁：老化 【系列文章】 振蕩器– 生成精確時(shí)鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第2部分——振蕩器：如何生成精確時(shí)鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(2) 《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 驅(qū)動(dòng)功率：晶體驅(qū)動(dòng)功率定義了晶體的功耗。在設(shè)計(jì)晶體振蕩器電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮晶體的最大驅(qū)動(dòng)功率，并確保不超過該值。晶體制造商提供晶體能夠承受的最大驅(qū)動(dòng)功率數(shù)值。如果晶體過度激勵(lì)，可能會導(dǎo)致RF輻射、快速老化、泛音模式振蕩或者晶體的永久損壞。為避免這種情況，工程師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)檢查晶體的技術(shù)規(guī)范和振蕩器電路。通常，ESR、C0/C1和CL參數(shù)最為重要，可用于計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率。這些值均由晶體制造商提供。 驅(qū)動(dòng)功率可通過方程式3計(jì)算。 其中IRMS是流過晶體的電流，R1是動(dòng)生電阻。用電流探針連接晶體引線以測量IRMS。如果無法測量電流，還可以用方程式4給的公式計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率。 其中R1是動(dòng)生電阻，F(xiàn)是工作頻率，VD是晶體的峰值電壓，CL是外部負(fù)載電容， C0是分流電容。 現(xiàn)在我們來理解一下更高驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)勢和局限性。 優(yōu)勢： ● 更高驅(qū)動(dòng)功率有助于補(bǔ)償晶體ESR電阻的壓降，從而滿足更高增益的啟動(dòng)要求。 ● 更高驅(qū)動(dòng)功率提供更好的相位噪聲性能（相位偏差會導(dǎo)致頻率變化，以保持2nπ相位條件）。 局限性： ● 隨著驅(qū)動(dòng)功率的增加，晶體震蕩的幅值也會增加。這可能導(dǎo)致過度老化，有些情況下會使晶體擊穿。 ● 增加驅(qū)動(dòng)功率還會引起震蕩頻率的變化，因?yàn)榫w功耗增加會使溫度升高。 為確保晶體單元的驅(qū)動(dòng)功率得到控制，大部分振蕩器電路設(shè)計(jì)人員都提供內(nèi)置的自動(dòng)增益控制(AGC)功能，用于在增益穿過某個(gè)閾值或在震蕩建立過程中減小放大器的增益。這樣有助于減小驅(qū)動(dòng)功率并保持更佳的穩(wěn)定性。 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：晶體牽引范圍 第2頁：驅(qū)動(dòng)功率 第3頁：頻率穩(wěn)定性與溫度 第4頁：老化 【系列文章】 振蕩器– 生成精確時(shí)鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第2部分——振蕩器：如何生成精確時(shí)鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(2) 《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 頻率穩(wěn)定性與溫度：溫度變化是影響晶體頻率的主要因素。對于在室溫下具有0ppm頻率精度的振蕩器而言，在較高溫度下其頻率可變化50ppm以上。因此，必須為應(yīng)用選擇合適的晶體。AT切割晶體用下面的三次函數(shù)（方程式5）描述頻率-溫度特性。 其中A1、A2、A3取決于晶體的各種物理屬性， △F/Fr是相對頻率變化，在乘以100萬后變化值可以用PPM表示。 晶體的溫度穩(wěn)定性由其制造商在晶體數(shù)據(jù)表中提供。下圖2給出了高度穩(wěn)定的晶體隨溫度變化的典型曲線。 圖2：晶體頻率與溫度 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：晶體牽引范圍 第2頁：驅(qū)動(dòng)功率 第3頁：頻率穩(wěn)定性與溫度 第4頁：老化 【系列文章】 振蕩器– 生成精確時(shí)鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第2部分——振蕩器：如何生成精確時(shí)鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(2) 《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 老化：晶體老化實(shí)際上是晶體在使用過程中晶體頻率隨著時(shí)間推移發(fā)生緩慢變化的過程。既可發(fā)生在正方向也可發(fā)生在負(fù)方向。盡管這種變化僅為幾十ppm，但在需要高精度時(shí)鐘信號的電路中會變得比較嚴(yán)重。晶體老化可能涉及不同機(jī)理，但主要由污染和/或晶體的機(jī)械應(yīng)力造成。 ● 污染– 氧化物生長或腐蝕引起的很小的質(zhì)量變化都會干擾共振頻率。晶體的質(zhì)量會逐漸改變，原因是：石英（支架和玻璃）脫氣；雜質(zhì)或金屬從電極向外擴(kuò)散；或者晶格被輻射損壞。在晶體制造過程中，最佳的方法是讓所有材料盡量干凈，以避免因雜質(zhì)出現(xiàn)任何污染或化學(xué)反應(yīng)。 ● 機(jī)械應(yīng)力 – 應(yīng)力會因安裝、電極和環(huán)氧基樹脂的熱膨脹而在晶體中積聚。晶狀石英每個(gè)軸上的熱膨脹差異也會形成內(nèi)部應(yīng)力并造成晶體老化。晶體制造過程中的切削操作會產(chǎn)生殘留應(yīng)力。此外，重力也會在晶體中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。如果包含晶體的儀器的方向發(fā)生變化，那么重力會產(chǎn)生影響并改變頻率。在高重力條件下重力的影響變得顯著，例如加速儀器。 晶體制造商通常會在數(shù)據(jù)表中提供信息，告知在特定時(shí)間段內(nèi)頻率會發(fā)生多大的偏移。 在本系列文章的下一部分中，我們將介紹晶體的其它技術(shù)規(guī)范，例如啟動(dòng)時(shí)間、晶體泛音和寄生波模。 【分頁導(dǎo)航】 第1頁：晶體牽引范圍 第2頁：驅(qū)動(dòng)功率 第3頁：頻率穩(wěn)定性與溫度 第4頁：老化 【系列文章】 振蕩器– 生成精確時(shí)鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第2部分——振蕩器：如何生成精確時(shí)鐘源 晶體振蕩器的原理與操作：第4部分——晶體振蕩器–技術(shù)規(guī)范解讀(2) 《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》網(wǎng)站版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 |
