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晶振是如何起振的

作者:bob下载官网

发布时间:2024-02-21 19:22:37

浏览量:864

  CL1,CL2为匹配电容,Rext通常为串联的几百欧姆电阻(有时也不加)。上面这个结构可能看着不是很熟悉,我们把它转换一下,变成下面这个就熟悉些。

  上图中把RF忽略掉了,如果用过无源晶振的话,必须要知道这个RF的阻值一般是很大的,兆欧姆级别,其作用主要是为了给反相放大器一个合适偏置。就像我们模电里面的三极管电路,其工作时都需要合适的直流偏置,这里我们先忽略掉。

  我估计有人看到这个地方就跑了,这一坨是啥东西,搞这么复杂?其实没那么难,这里面所有的器件,除了反相放大器外,都是基本元器件,反而是更容易分析的。

  不过在这之前呢?我们仍旧是插播一个知识点,那就是起振条件。因为只有搞懂了起振条件,我们才可以知其然并且知其所以然,先理论分析,然后用仿真去验证,如此更爽。

  上图中将反相放大器的传递函数用A(s)表示,晶振及其匹配电路打包一起,其传递函数看作F(s)。

  当环路增益大于1时,说明输入信号在环路中逛一圈后又送到输入端,信号幅度比原来更大

  相位为2nπ,说输入信号在电路中逛一圈后,相位与原本的输入信号完全相同,因此输入信号被完美的加强了。

  两者结合,就形成了这样的情况:信号经过反复放大后,不断增大,最终就是我们正真看到那样。

  当环路中的信号幅度增大到某些特定的程度后,振荡器中的有源器件(晶振电路中的反相器)存在的非线性会限制幅度的继续增加,使得振荡器的输出达到稳定。通俗说就是振荡的幅值肯定超不过电源电压。

  也就是说,只要满足那两个条件,再小的信号,经过环路的无限循环(输入信号Vin逛一圈变成更大的Vin,然后再逛一圈变成更更大的Vin,然后再逛一圈。。。),最终输出幅度总会起来。

  尽管我们没专门提供对应频率的输入信号Vin,但是电路中总会有噪声,比如白噪声就是全频段的,虽然信号很小,但是因为电路的这个慢慢地增加的特性,所以最终一定有输出信号。也就是说,起振是必然的。

  关于晶振起振,有一个准则叫巴克毫森稳定性准则,想深入去看的同学可以去查查。

  相位需要满足2nπ,显然,n不可能等于0,等于零意外着绝对没相移,电路中有反相放大器,已经相移了π,也就是180°。所以最可能的就是晶振那一坨电路也让信号相移180度,整体凑够360°,也就是2π。

  Rext和匹配电容CL1构成一个低通滤波器,带来的相移是小于90°的,这应该很容易知道,下图是Rext=100Ω,CL1=10p的低通滤波器的幅频曲线,能够正常的看到,输入与输出的相位差是:0°~90°,输出滞后输入。

  Rext和匹配电容CL1带来的相移是小于90°,那么晶振与CL2带来的相移必须大于90°,如此才能凑够180°。

  那么何时晶振与CL2带来的相移是大于90°的呢?答案是必须晶振等效电路整体呈电感性才有可能。

  晶振等效电路有三种元器件构成,电阻,电感,电容,其总的等效阻抗可能有三种情况:呈阻性,呈容性,呈感性。

  如果从数学角度来看,晶振总阻抗公式化简之后总能写成一个复数的形式,包含实数和虚数的表达式:Z=R+jX。其中R是电阻分量,X为电抗分量。

  阻抗公式算出来肯定是一大坨的,就不列了,我们直接看仿线只是象征性取值,可以取其它的,不影响结果,电容值也是)

  可以看到,只有晶振在呈感性的时候,相移才能大于90°,其相移范围是:0~180°。

  理论上说,总阻抗是个复数,我们大家可以把它化简成实部和虚部,虚部大于0时,即表示晶振呈感性。不过这也太费劲,还是直接搞一个实际的晶振参数看看。

  大多数晶振都是没有给出Lm,Rm,Cm参数的,不过我查到爱普生的晶振有写出来,比如下面这款25Mhz的晶振。

  仿线A的电流源,那么Vz的电压就是阻抗乘以电流,电流为1A,那么Vz的值就是阻抗值,因此,图中左边的dB幅度值就是阻抗值。相位表示电压超前电流的相角,因此,如果相位大于0,表示整体阻抗是感性,若小于0,表示整体阻抗是容性的。

  从图中能够准确的看出,两个尖之间的区域,相角大于0,就是呈感性的区域,晶体振荡频率25Mhz正好处于这一区域。

  从图上看,两个冒尖的频率分别是24.988623Mhz,25.028984Mhz,很容易猜到,两个冒尖的频点这么特殊,应该是串联谐振点和并联谐振点。

  比如这个:我们都知道实际应用中,改变匹配电容,可以微调晶振工作频率,所以实际工作频率跟匹配电容肯定有关系,应该是有关系式的。具体关系式我在一些资料中已经看到了,不过只知道个结果吧,还没搞清楚咋来的,暂时就先放着吧。

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