頻率控制元器件石英振蕩器是PCB電路板上重要電子元器件，除此之外，電路板上還有幾十種不同的電子元件，這些元件相互工作相互牽引，驅(qū)使電路板正常的工作發(fā)揮效果。工程師在制造板子時(shí)，都會(huì)先設(shè)計(jì)和計(jì)算，確認(rèn)并采購適用產(chǎn)品板子的石英晶振，電阻器，電容器，電感器，濾波器，緩沖器等，從而組成有效的電路。以下是金洛鑫電子整理的振蕩器電路與其他組成元件的基礎(chǔ)資料，希望對(duì)廣大工程和技術(shù)有所幫助。

本文回顧了石英振蕩器的基本原理，重點(diǎn)是石英頻率標(biāo)準(zhǔn)（與廉價(jià)的時(shí)鐘振蕩器相反）。討論的主題包括：晶體諧振器和振蕩器，振蕩器類型，以及溫補(bǔ)晶體振蕩器（TCXO）和恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）的特性和局限性。討論的振蕩器不穩(wěn)定性包括：老化，噪聲，頻率與溫度，預(yù)熱，加速效應(yīng)，磁場效應(yīng)，輻射效應(yīng)和大氣壓力效應(yīng)。還考慮了各種效果之間的相互作用。提供了振蕩器比較和選擇的指南。還包括對(duì)規(guī)范的討論以及進(jìn)一步閱讀的參考和建議。

振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)：

圖1是一個(gè)大大簡化的電路圖，顯示了石英晶體振蕩器的基本元件。晶體振蕩器的放大器包括至少一個(gè)有源器件和必要的偏置網(wǎng)絡(luò);它還可以包括用于頻帶限制，阻抗匹配和增益控制的其他元件。反饋網(wǎng)絡(luò)由晶體諧振器組成，并且可以包含其他元件，例如用于調(diào)諧的可變電容器。

振蕩頻率由閉環(huán)相移等于2nrr的要求確定，其中n是整數(shù)，通常為0或1。當(dāng)OSC晶振最初通電時(shí)，電路中唯一的信號(hào)是噪聲。噪聲的分量，其頻率滿足振蕩的相位條件，以增加的幅度在環(huán)路周圍傳播。增加的速率取決于過量的環(huán)路增益和晶體網(wǎng)絡(luò)的帶寬。幅度繼續(xù)增加，直到放大器增益。

圖1.晶體振蕩器-簡化電路圖

通過有源的貼片石英晶振的非線性（在這種情況下它是自限制的）或通過外部電平控制方法減小。在穩(wěn)態(tài)下，閉環(huán)增益為1.如果發(fā)生相位擾動(dòng)A@，振蕩器的頻率必須通過Af移動(dòng)才能保持2~7相狀態(tài)。可以證明，對(duì)于串聯(lián)諧振振蕩器。

其中QL是網(wǎng)絡(luò)中晶體的負(fù)載Q[311.（“晶體”和“諧振器”通常與“晶體單元”互換使用，但“晶體單元”是官方名稱。）晶體振蕩器設(shè)計(jì)信息可參見參考文獻(xiàn)31,32,35和36.Crystal oscillator的縮寫為X0。

晶體單元等效電路：

石英晶體單元是已經(jīng)施加電極的石英晶片，并且其被密封在支架結(jié)構(gòu)中。（晶圓通常被稱為“空白”或“晶體板”。）雖然晶體單元的設(shè)計(jì)和制造包含復(fù)雜的主題，但振蕩器設(shè)計(jì)者可以將晶體單元視為電路元件并僅處理晶體單元的等效電路。機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)和圖2所示的電路是“等效的”，因?yàn)槊總€(gè)都可以用相同的微分方程來描述。

圖2.機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的等效電路

頻率控制設(shè)備：

質(zhì)量，彈簧和阻尼元件（即緩沖器）對(duì)應(yīng)于電感器，電容器和電阻器。驅(qū)動(dòng)力對(duì)應(yīng)于電壓，質(zhì)量對(duì)電容器上的電荷的位移以及對(duì)電流的速度。石英晶體諧振器是通過壓電效應(yīng)連接到電氣世界的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。圖5示出了諧振器的（簡化的）等效電路（一種振動(dòng)模式），以及晶體單元的電路符號(hào)。負(fù)載電容器CL與晶體串聯(lián)示出。被稱為“分流”電容的CO是由于晶體板上的電極加上由于晶體外殼引起的雜散電容而產(chǎn)生的電容。電路的RI，Lr，Cr部分是“運(yùn)動(dòng)臂”，它是由晶體的機(jī)械振動(dòng)引起的。

CO與C1的比率是存儲(chǔ)在晶體中的電能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換的量度，即壓電耦合因子k。CO/C1隨著泛音數(shù)的平方增加;CO/C1與k和N的關(guān)系是2CO/C1=[dV/2k12，其中N是泛音數(shù)。當(dāng)直流電壓施加到壓電石英晶體的電極時(shí)，電容比CO/C也是由電極形成的電容器中存儲(chǔ)的電能與晶體中由于晶格彈性存儲(chǔ)的能量之比的量度。由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變。圖3顯示了晶體單元的電抗與頻率特性。CO/C1也與之成反比。

圖3.帶負(fù)載電容的晶體單元的等效電路

圖4.晶體單元的電抗與頻率的關(guān)系

反共振頻率分離（即，零極間距），這是濾波器應(yīng)用中特別重要的參數(shù)。電阻與頻率曲線nearfs的斜率與C1成反比，即fS附近的A-WAf/f>-1/-nfCI，其中X是電抗。因此，C1是晶體“stifiess”的度量，即其可調(diào)性-參見下一個(gè)等式。當(dāng)負(fù)載電容與晶體串聯(lián)時(shí)，振蕩器的工作頻率增加了Af'，其中Af'由下式給出：

當(dāng)電感器與晶體串聯(lián)連接時(shí)，操作頻率降低。通過增加或改變電抗來改變工作頻率的能力允許補(bǔ)償TCXO中晶體單元的頻率與溫度變化以及調(diào)節(jié)壓控晶振（VCXO）的輸出頻率;在兩者中，頻率可以通過改變變?nèi)荻O管的電壓來改變。對(duì)于圖4的簡單RLC電路，諧振曲線的寬度與品質(zhì)因數(shù)Q成反比，但在晶體振蕩器中，情況是由于存在C，以及操作Q低于諧振器Q這一事實(shí)使其復(fù)雜化。對(duì)于石英諧振器，Q=（2n~CIII）-'。

隨著技術(shù)的提升，石英晶體振蕩器的類型越來越多樣化，而且也更加靈活，適用于不同的產(chǎn)品方案，高端的Oscillator產(chǎn)品的尺寸也在往更小的方向發(fā)展，現(xiàn)在體積最小的振蕩器只有1.6*1.2mm，說不定用不了多久，就會(huì)研發(fā)出1.0*0.8mm尺寸的有源晶振。當(dāng)然選擇一顆合適的晶振，除了尺寸和類型之外，主要還是要看其他幾項(xiàng)重要的參數(shù)，例如頻率，電源電壓，精準(zhǔn)度，工作溫度/儲(chǔ)存溫度，老化率，輸出方式等。