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晶體振盪器如何讓數位電子裝置同步化

作者:Diodes 公司應用工程部經理 Qin Zhuang

大多數您所設計或使用的電子系統,都具有一或多個振盪器來提供時脈以進行同步運作,作為頻率參考或實現準確的定時。本文將討論石英晶體振盪器的優點,以及一些可用的選擇。

在以微處理器為基礎的系統中,存在著數種不同的時脈訊號,用於執行指令、將資料移入和移出記憶體,以及外部通訊介面。

一個簡單的嵌入式控制器可能擁有幾 MHz 的時脈頻率,而個人電腦中的微處理器通常預期會有 15 MHz 的輸入時脈。這將在內部倍數增加,以提供 CPU 和其他子系統的時脈。系統中的其他元件可能都各有自己的時脈要求。例如,乙太網路控制器需要 25 MHz 的時脈,或即時時脈 (RTC) 需要 32.768 kHz。

射頻 (RF) 系統需要準確的頻率參考,以實現端對端通訊並可過濾不需要的訊號和雜訊。

關鍵振盪器特性

除了提供指定頻率的基本需求外,依據您的產品應用,振盪器可能還必須滿足其他需求。

例如,許多產品應用需要極為精確定義的頻率。對於需要透過序列或無線介面與其他裝置進行通訊的系統而言,這尤其重要。準確度通常以百萬分之一 (ppm) 為單位進行測量。

針對手持或電池供電的設備而言,擁有低功耗是十分重要的。對 RTC 來說尤其如此,因為即使在低功耗或待機模式下,電路的此一部分也將始終處於有效狀態。

最後,您可能需要考量例如操作環境、成本和外形尺寸等各種因素。

完美諧振

任何振盪器都使用某種諧振或微調電路,搭配放大和回饋來產生特定頻率輸出。

微調電路可以電阻電容 (RC) 或電感電容 (LC) 網路為基礎。這些裝置較為簡單,且能在寬廣的範圍內變更頻率。不過,設計一個準確的 RC 或 LC 振盪器,需要使用昂貴的精確元件。即便如此,它們也無法滿足許多產品應用所要求的最高準確度和穩定性。

晶體 (通常為石英) 也可以作為諧振元件。將晶體切割為兩個平行的晶面,並在其上沉積金屬接點。石英具有壓電效應,代表將該晶體置於壓力下時,其晶面會產生電壓。相反地,在晶體上施加電壓時,晶體亦會改變形狀。

這種回饋會使晶體以其自然諧振頻率進行振盪。這將由晶體的尺寸及其切割方式決定。最常見的裁切方式稱為 AT。這可以用於很廣泛的頻率範圍,並具有良好的熱穩定性。

晶體諧振器具備很高的品質 (Q) 因數,這代表頻率是精確定義且非常穩定,因此晶體可用作低成本、高準確度振盪器的基礎。

Crystal structure and corresponding circuit

圖 1:晶體結構及等效電路

晶體諧振器結構和等效電路如圖 1 所示。值 Cp 代表兩個平行電極的電容。元件 Ls、Rs 和 Cs 代表晶體的機械屬性 (質量、內摩擦和彈性)。

等效電路表示存在兩種可能的諧振頻率:一種是由於 Ls 和 Cs 串聯所引起,另一種則是由於 Cp 與電感並聯所引起。

串聯諧振定義算式:

 

Series Resonance Formula

 

 

並聯諧振頻率算式:

Parallel Resonant Frequency Formula

 

 

這兩個頻率之間的距離通常小於 1%,且振盪器電路定義使用哪種諧振模式。大多數振盪器使用並聯模式。

對於約 75 MHz 以上的高頻率而言,晶體可以基礎頻率或泛音的倍數進行振盪。

 

振盪器電路

振盪器電路通常會整合到需要時脈訊號的裝置內。例如,許多微控制器和類似裝置都有兩個接腳,您可以在上面簡單地連接一個晶體和一對陶瓷電容器來完成電路。

Oscillator Components and Stray Capacitance

圖 2:振盪器元件和雜散電容

 

電路的總負載電容 (CL) 需要與晶體的指定 CL 相符。這是由陶瓷電容器加上晶體封裝、振盪器輸入接腳和電路板線路的任何雜散電容組成。

要準確計算電路中的所有雜散電容和寄生電容並不容易,因此您可以先進行預估 (通常在 4 至 6 pF 左右),然後測量輸出頻率,以查看是否需要調整電容器的值。

如果總 CL 大於指定 CL,將會降低振盪頻率。如果 CL 太低,則頻率將更高。

如果 CL 的高低過於懸殊,則振盪器可能根本無法啟動。

 

Figure 3. Oscillator Circuits

圖 3:振盪器電路

您也可以使用電晶體或反向邏輯閘極作為回饋放大器,以建構外部振盪器電路,如圖 3 所示。但是,即使大多數晶體廠商都會提供設計指南,但設計高品質振盪器仍具有挑戰性;因此,購買現成的振盪器模組可能更為簡單。振盪器模組含一個晶體,以及包括負載電容器等所有需要的元件。這可以保證您以合理的價格獲得高效能振盪器。您只需提供適合的電源供應器即可。

Figure 4. Crystal Oscillator Module

圖 4:晶體振盪器模組

對於乙太網路介面或無線通訊系統等要求準確和穩定頻率的產品應用,晶體振盪器模組是不錯的選擇。

主題的變化

由於頻率會隨外部 CL 變化,使得建構能在很小範圍內調節輸出的晶體振盪器成為可能。例如,這在接收器需要調整自己的頻率以符合接收訊號的 RF 應用中非常實用。

電壓控制晶體振盪器 (VCXO) 使用稱為變容器 (或變容二極體) 的裝置作為負載電容器。變容器的電容會隨施加的控制電壓而變化,進而改變振盪頻率。

VCXO 的關鍵參數為「牽引率」,控制電壓範圍和時脈抖動。

  • 牽引率定義給定控制電壓變化時的頻率變化。較大的值表示振盪器可以在較大的範圍內運作,但是較小的值表示較佳的穩定性和較低的相位雜訊。最大調整範圍通常約為 +/-200 ppm。
  • 控制電壓通常為 0 V 至 2 或 3V。
  • 時脈抖動會高於固定頻率振盪器,尤其是在限制狀態運作時調整範圍的極端情況下。

如果您在操作溫度範圍內要求的穩定性,比普通晶體振盪器所能提供的更大,則可能需要使用溫度補償晶體振盪器 (TCXO)。這些也可以作為具有廣泛參數的現成模組來提供。

TCXO 包含一個測量環境溫度,然後產生控制電壓以調整 VCXO 頻率的電路,以補償溫度變化所產生的影響。TCXO 會根據晶體的溫度頻率回應曲線計算所需的控制電壓。

TCXO 模組通常也包括自己的穩壓器,因此振盪器不會受外部供應電壓變化的影響。

結論

石英晶體提供高度準確、穩定且低成本的頻率參考。

晶體和晶體振盪器具有廣泛的參數和實作方式,以滿足您的產品應用需求。

許多裝置都整合振盪器電路,使設計過程變得非常簡單。

作為替代方案,特別是如果需要更高品質的時脈時,便可以使用晶體振盪器模組。與整合式振盪器相比,它們通常具有更高的準確度和穩定性。模組也可提供電壓控制頻率或溫度補償。