晶體振盪器：簡易、低成本且高準確度的時脈來源

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。

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。