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晶體振盪器:簡易、低成本且高準確度的時脈來源

Pierce oscillator using CMOS inverter from Diodes Incorporated

作者:Diodes 公司應用工程部經理 Qin Zhuang

 

許多電子電路都需要振盪器來同步活動或提供頻率參考。

以微控制器為例,時脈訊號用於控制資料來往記憶體的移動、指令的執行,以及外部通訊的速度。另外在無線電系統中,振盪器則提供固定頻率,以供發射器與接收器進行通訊。

除了頻率,還有一些與振盪器有關的重要屬性。像準確度與穩定性 (以百萬分之一或 ppm 指定) 對通訊協定和時間記錄極為重要。對於可攜式裝置或電池供電的應用來說,低功耗可能是關鍵的因素。其他需要考量的特性還有成本,以及頻率是否可調。

振盪器會使用某些諧振電路類型的反饋來產生固定頻率的輸出,諧振電路可作為電阻電容 (RC) 或電感電容 (LC) 網路。這些裝置較為簡單,且能在寬廣的範圍內變更頻率。但從另一方面來看,這些裝置無法提供許多應用所需要的準確度與穩定性。

像是石英等晶體,則因為壓電效應,因此可用作諧振器。對晶體施加壓力時,晶體內部會產生電壓,施加電壓時,晶體則會變形。將晶體搭配反饋,便可作為高準確度和穩定性的諧振器,而其自然頻率則取決於晶體的大小和裁切方式。

Pierce oscillator using CMOS inverter from Diodes Incorporated 

 

圖 1:使用 CMOS 逆變器的皮爾斯振盪器

 

簡單的晶體振盪器

晶體本身是一種被動式元件,需搭配振盪器電路使用。晶體通常整合到需要時脈訊號的裝置內,例如,微控制器一般會有兩個腳位,用來連接晶體和一些外部的負載電容器。這些電容器需與指定的晶體負載電容 (CL) 匹配,確保其能以正確的頻率振盪。

變更負載電容器的數值,也會稍微改變振盪頻率。我們可以利用電壓控制型晶體振盪器 (VCXO) 達到此效果,因為這種振盪器會使用可變電容元件 (變容二極體) 調整頻率。

您可用獨立型裝置來打造外部振盪器,像是使用電晶體或反向邏輯閘極提供放大和反饋。不過,雖然晶體廠商會提供設計指南,但想從頭打造出高品質的振盪器卻極為複雜。

直接使用現成的振盪器模組,通常會比較方便。振盪器模組包含晶體和振盪器電路,您唯一需要做的,就是為其提供電源。振盪器模組的準確度通常比目標裝置內整合的基本電路更為出色。

但儘管晶體非常穩定,但振盪器的頻率卻可能因供應電壓和溫度影響而產生變化。要將這些影響降低,可以使用溫度補償晶體振盪器 (TCXO) 模組。TCXO 模組的內部電路可調整頻率,藉此補償溫度變化的效應。模組經常也會內含整合式電壓穩壓器,用於降低外部供應電壓變動的效應。TCXO 可達到 2ppm 以上的穩定性。

晶體振盪器提供簡易、低成本且高準確度的時脈來源,適用於寬廣的頻率範圍,是許多應用類型的合適選擇。若要深入了解,請參閱我們關於石英晶體振盪器技術的白皮書,或參閱 Diodes 公司產品頁面