关于陶瓷晶振全面的振动工作原理分析白皮书

很多人认为目前陶瓷谐振器已经没有多大的市场了,因为近年来金属面的贴片晶振或者插件石英晶体的销量,是陶瓷晶振模块的10倍以上,但是从市场情况来说,提出这个说法还为时尚早.因为陶瓷谐振器的应用范围比较广泛,而且在价格和货源方面非常具有优势,这也是为什么还有很多厂家依然在使用陶瓷晶振最大的因素,主要应用到电气设备,复印机,遥控器,儿童玩具,游戏机及其他一些消费电子产品.本文的主要目的就是带大家一起认识了解下,陶瓷谐振器是如何振荡工作的,以及其电路设计资料.

等效电路常数:图1.2显示了陶瓷谐振器的符号.端子之间测得的阻抗和相位特性如图1.5所示.该图说明了谐振器在提供最小阻抗的频率fr(谐振频率)和提供最大阻抗的频率fa(反谐振频率)之间的频率范围内变为电感性.它在其他频率范围内具有电容性.这意味着可以用等效电路代替二端谐振器的机械咬合,该等效电路由串联和并联谐振电路的组合以及电感器L,电容器C和电阻器R组成.在谐振频率附近,等效电路可以表示为如图1.4所示.fr和fa频率由压电陶瓷材料及其物理参数确定.等效电路常数可以通过以下公式确定: 

考虑到fr的有限频率范围,如图1.5所示,阻抗为Z=Re+jwLe(Le<=0).陶瓷谐振器应作为具有损耗Re()的电感器Le(H)运行.图1.1显示了陶瓷谐振器和石英晶体谐振器之间等效电路常数的比较.请注意,电容和Qm的差异很大,导致实际工作时振荡条件的差异.附录中的表格显示了每种陶瓷谐振器的等效电路常数的标准值.除所需的振荡模式外,还存在其他振荡模式的高次谐波.由于陶瓷谐振器使用机械谐振,因此存在其他振荡模式.图1.6显示了这些特性. 

基本振荡电路

通常,振荡电路可分为以下三种类型:

1.积极的反馈

2.负阻元件

3.对于陶瓷谐振器,压电石英晶体和LC振荡器,传输时间或相位的延迟是正反馈电路的选择.

在使用LC的正反馈振荡电路中,通常使用Colpitts和Hartley的调谐型反耦合振荡电路.参见图1.7.

在图1.7中,使用了最基本的放大器晶体管.

振荡频率与在Colpitts电路中由L,CL1和Cl2组成的电路或在Hartley电路中由L1,L2和C组成的电路的谐振频率大致相同.这些频率可以由以下公式表示. 

在陶瓷谐振器振荡器中,利用谐振器在谐振频率和反谐振频率之间变为感应的事实,用陶瓷谐振器代替了电感器.最常用的电路是Colpitts电路.

这些振荡电路的工作原理如图2.1所示.当满足跟随条件时发生振荡.环路增益:G=a:B>1相位量:

在Colpitts电路中,使用180的反相,并且在反馈电路中使用L和C将其反相超过=180.陶瓷谐振器的操作可以认为是相同的. 

应用领域:

典型的振荡电路:陶瓷谐振器最常见的振荡电路是Colpitts电路.电路的设计随应用和要使用的IC等而变化.尽管电路的基本配置与晶体控制振荡器的基本配置相同,但机械Q的差异是由电路常数的差异引起的.以下是一些典型示例.

设计注意事项:使用反相器门将振荡电路配置为数字IC变得越来越普遍.下一页的图3.1显示了带有CMOS反相器的基本振荡电路的配置.INV.1用作振荡电路的反相放大器.INV.2用作波形整形器,还用作输出的缓冲器.反馈电阻Rf在逆变器周围提供负反馈,因此在加电时将开始振荡.如果Rf的值太大而输入逆变器的绝缘电阻太低,则由于环路增益的损失,振荡将停止.另外,如果Rf太大,则可以将来自其他电路的噪声引入振荡电路.显然,如果Rf为1M,通常与SMD型陶瓷晶振一起使用.阻尼电阻Rd具有以下功能,尽管有时会省略.这使得逆变器和反馈电路之间的耦合松动.从而降低了逆变器输出侧的负载.另外,反馈电路的相位稳定.它还提供了一种降低较高频率增益的方法,从而防止了寄生振荡的可能性.

负载电容:负载电容CL1和CL2具有180度的相位滞后.应根据应用,所用IC和频率来适当选择这些值.如果CL1和CL2的值比必要的要低,则高频时的环路增益会增加,这反过来会增加寄生振荡的可能性.这在厚度振动模式所在的4-5MHz附近尤其可能. 

这清楚地表明,振荡频率受负载电容的影响.当需要严格限制振荡频率时,应谨慎定义其值.CMOS反相器:CMOS反相器可用作反相放大器,4069CMOS组的单级类型最为有用.由于增益过大,当使用三级缓冲型逆变器(例如4049组)时,环形振荡或CR振荡是一个典型的问题.ECS采用RCACD4O69UBE作为CMOS标准电路,如图3.2所示.

HCMOS反相器电路:最近,高速CMOS(HCMOS)越来越多地用于允许微处理器实现高速和低功耗的电路.HCMOS反相器有两种类型:无缓冲的74HCU系列和带缓冲器的74HC系列.74HCU系统是陶瓷谐振器的最佳选择.见图3.3.

TTL反相器电路:由于阻抗匹配,负载电容CL1和CL2的值应大于CMOS的值.此外,反馈电阻Rf应该小到几K.请注意,需要偏置电阻Rd才能正确确定DC工作点.

频率相关:下一页显示的振荡器电路是ECS晶振标准测试电路.这些电路中使用的逆变器被广泛接受为行业标准,因为它们的特性代表了同一系列(CMOS/HCMOS/TTL)微处理器中的特性.自然,应用会因所使用的IC而异,并且可以预期,振荡器电路的特性会因IC的不同而有所差异.通常,这种变化可以忽略不计,只需将处理器分类为CMOS,HCMOS或TTL,就可以简单地选择陶瓷谐振器的零件号.鉴于标准ECS陶瓷谐振器已按100%的频率对下一页的测试电路进行了分类,因此将我们的标准电路的振荡频率与客户指定电路的振荡频率相关联相对容易.例如,如果所使用的微处理器是频率为4MHz的Motorola6805,则正确的ECS部件号应为ZTA4.OMG(频率按CD4O69UBE CMOS测试电路排序).电路参数应选择如下: 

通过实际设置此电路以及下面图3.1所示的标准测试电路,可以建立将ZTA5.OMG与6805处理器配合使用时可以预期的平均偏移.实际数据如下所示: 

根据该数据,可以预测标准ZTA 4.00MG谐振器将比原始4.00MHz+0.5%初始容差产生约+0.06%的频移.这当然可以忽略不计,并且不会以任何方式影响电路性能. 

各种IC/LSI的电路:

陶瓷谐振器通过充分利用上述功能,与各种IC结合在一起被广泛应用.以下是一些苛刻的应用示例.

微处理器的应用:陶瓷谐振器最适合作为4位,8位和16位各种微处理器的稳定振荡元件.由于微处理器参考时钟所需的一般频率公差为+2%-3%,因此标准单位可以满足此要求.向您的ECS或LSI制造商询问有关电路常数的信息,因为它们随频率和所用LSI电路的不同而变化.图A示出了具有4位微处理器的应用,而图B示出了具有8位微处理器的应用.

远程控制IC:远程控制已越来越成为一种常见功能.振荡频率通常为400-500KHz,其中最流行的是455KHz.455KHz被载波信号发生器分频,从而产生大约38KHz的载波. 

VCO(压控晶振)电路:VCO电路用于电视和音频设备,因为需要与广播电台发送的导频信号同步处理信号.最初使用的是振荡电路,例如LC和RC.但是,现在使用陶瓷谐振器是因为它们不需要调整,并且比旧式电路具有更高的稳定性.VCO应用的谐振器需要具有宽广的可变频率.

杂项:除了上述用途外,陶瓷谐振器还与IC广泛用于语音合成和时钟生成.对于一般的时序控制应用,通常由用户根据IC制造商的建议工作频率范围来选择振荡频率.使用给定的IC选择此频率将决定哪种电路值和哪种陶瓷谐振器将是合适的.选择陶瓷谐振器零件编号时,请联系您当地的ECS销售代表.如前所述,陶瓷谐振器有许多应用.一些更专用的振荡器电路要求针对该应用和IC开发独特的陶瓷谐振器.

振荡上升时间

振荡上升时间是指在激活IC电源时,振荡从瞬态区域发展到稳定区域的时间.对于陶瓷谐振器,它被定义为在稳定条件下达到振荡水平的90%的时间,如图6.1所示.上升时间主要是振荡电路设计的函数.通常,较小的负载电容,较高频率的陶瓷谐振器和较小尺寸的陶瓷谐振器将导致较快的上升时间.随着谐振器电容的减小,负载电容的影响变得更加明显.图6.2显示了相对于负载电容(CL)和电源电压的上升时间的实际测量值.值得注意的是,陶瓷谐振器的上升时间比石英晶体的上升时间快一到二十年.(这一点在图6中用图形表示.

起始电压:起始电压是指振荡电路可以工作的最小电源电压.启动电压受所有电路元件的影响.它主要由IC的特性决定.图6.4显示了针对负载电容的启动电压特性的实际测量示例. 

陶瓷谐振器的振动特性

下面描述基本电路中振荡的一般特性.请与ECS晶振供应商联系,以了解特定种类的IC和LSI的详细振荡特性.在-20℃至+80℃的范围内,抗温度变化的稳定性为+0.3至0.5%,尽管其随陶瓷材料而略有变化.负载电容(CL1,CL2)对振荡频率的影响相对较高,这可以从fosc公式计算得出.由于工作电压范围内的电容偏差为+0.1%,fosc的变化约为+0.1%.fosc也随IC的特性而变化. 

电源电压变化特性:对于给定的振荡频率,实际测量稳定性的示例参见上图.

振荡水平:以下是根据温度,电源电压和负载电容(CL1,CL2)实际测量振荡水平的示例.要求振荡水平在较宽的温度范围内保持稳定,并且温度特性应尽可能平坦.除非IC具有内部恒压电源,否则此变化与电源电压成线性关系.

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