01
無(wú)源晶振和有源晶振
晶振大類分兩種,有源晶振和無(wú)源晶振。
無(wú)源晶振工作原理簡(jiǎn)單的說(shuō)石英有壓電效應(yīng),電壓形成了,自然就會(huì)產(chǎn)生晶體片形變,再結(jié)合外部電路,通過(guò)IC整合再交給下級(jí)電路輸出。其設(shè)計(jì)缺陷需要精確匹配外圍電路(用于信號(hào)匹配的電容、電感、電阻等)才能運(yùn)行,所以信號(hào)質(zhì)量較差。
有源晶振有4只引腳,里面除了石英晶體外,還有晶體管和阻容元件。有源晶振不需要DSP的內(nèi)部振蕩器,信號(hào)質(zhì)量好,比較穩(wěn)定,而且連接方式相對(duì)簡(jiǎn)單,不需要復(fù)雜的配置電路。因?yàn)橥鈬娐饭潭?,相?duì)于無(wú)源晶體,有源晶振的缺陷是需要選擇好合適輸出電平,靈活性較差,而且價(jià)格高。
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看,有源晶振內(nèi)部構(gòu)造包含了無(wú)源晶振,并且把外圍電路封裝進(jìn)去,所以如果能理解無(wú)源晶振,也就能理解有源晶振,本篇主要講解無(wú)源晶振。
02
晶振的原理
2.1 石英晶體的結(jié)構(gòu)
晶振是利用石英晶體(Quartz-Crystal)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。石英本質(zhì)是礦物質(zhì)硅石的一種,化學(xué)成分是Sio2,從一塊晶體上按一定的方位角切割成的薄片稱為晶片。
形狀是呈角錐形的六棱結(jié)晶體,具有各向異性的物理特性。按其自然形狀有三個(gè)對(duì)稱軸,電軸X,機(jī)械軸Y,光軸Z。
石英晶體及橫斷面
石英諧振器中的各種晶片,就是按照各軸不同角度,切割成正方形、 長(zhǎng)方形、 圓形、 或棒型的薄片,如圖
2.2 石英晶體的特性
(1) 石英晶體特有的正、 反兩種壓電效應(yīng)
正壓電效應(yīng):當(dāng)沿晶體的電軸或機(jī)械軸施以張力或壓力時(shí), 就在垂直于電軸的兩面上產(chǎn)生正、 負(fù)電荷, 呈現(xiàn)出電壓。
負(fù)壓電效應(yīng):當(dāng)在垂直于電軸的兩面上加交變電壓時(shí), 晶體將會(huì)沿電軸或機(jī)械軸產(chǎn)生彈性變形( 伸張或壓縮) , 稱為機(jī)械振動(dòng)。
(2) 石英晶體具有諧振回路的特性
石英晶體存在著固有振動(dòng)頻率。
當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí), 它本身有一固定的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加電信號(hào)頻率在此自然頻率附近時(shí), 就會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機(jī)械共振, 又在電路上表現(xiàn)出電諧振。這時(shí)有很大的電流流過(guò)晶體, 產(chǎn)生電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。
(3) 具有較小的頻率溫度特性
石英晶體溫度系數(shù)小和低噪聲,石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10 -5數(shù)量級(jí)以上, 具有很高的品質(zhì)因數(shù), 產(chǎn)生幾十kHz幾百M(fèi)Hz的振蕩頻率。
2.3 晶振的工作原理
晶振是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件,它的基本構(gòu)成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片,在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構(gòu)成了晶振。
根據(jù)正反壓電效應(yīng),如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。是一種可將電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的壓電器件,能量轉(zhuǎn)變發(fā)生在共振頻率點(diǎn)上。
在一般情況下,晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小,但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí),振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。
03
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晶振的特性和模型
3.1 晶振的等效電路
當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí), 可以看成是一個(gè)平板電容器Co, 稱為靜電電容。Co與晶片的幾何尺寸和電極面積有關(guān)。當(dāng)晶體振蕩時(shí),機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。
Co—靜態(tài)電容和支架引線等分布電容之和, 一般約2~5PF。
Cm —?jiǎng)討B(tài)電容, 表征晶體的彈性, 值很小, 在10﹣2 pF以下。
Lm —?jiǎng)討B(tài)電感, 表征晶體的質(zhì)量, 值較大, 在幾十mH ~幾百H。
rm —?jiǎng)討B(tài)電阻,機(jī)械摩擦和空氣阻尼引起的損耗, 阻抗很小,幾~幾百歐?。
3.2 晶振的阻抗
可表示為以下方程(假設(shè)Rm可以忽略不計(jì)):
3.3 石英晶振的頻域電抗特性
其中Fs的是當(dāng)電抗Z=0時(shí)的串聯(lián)諧頻率(它是Lm、Cm和Rm支路的諧振頻率),其表達(dá)式如下:
Fa是當(dāng)電抗Z趨于無(wú)窮大時(shí)的并聯(lián)諧振頻率(譯注:它是整個(gè)等效電路的諧振頻率),使用等式:
在Fs到Fa的區(qū)域即通常所謂的聯(lián)諧振狀態(tài)(該區(qū)域就是晶振的正常工作區(qū)域,F(xiàn)a-Fs就是晶振的帶寬。)
帶寬越窄,品質(zhì)因素越高,振蕩頻率越穩(wěn)定, 在此區(qū)域晶振呈電感特性,從而帶來(lái)了相當(dāng)于180 °的相移。
頻率FP(或者叫FL:負(fù)載頻率)表達(dá)式如下:
從表達(dá)式我們知道可以通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載電容CL來(lái)微調(diào)振蕩器的頻率,這就是為什么
制造商在其產(chǎn)品說(shuō)明書中會(huì)指定外部負(fù)載電容CL值的原因。通過(guò)指定外部負(fù)載電容CL值,可以使晶體振蕩時(shí)達(dá)到其標(biāo)稱頻率。
舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明如何調(diào)整外部參數(shù)來(lái)達(dá)到晶振電路的8MHz標(biāo)稱頻率:
等效電路參數(shù)實(shí)例
我們可以計(jì)算出該晶振的Fs = 7988768Hz,F(xiàn)a = 8008102Hz,
如果該晶振的CL為10pF,則其振蕩頻率為:FP = 7995695Hz。要使其達(dá)到準(zhǔn)確的標(biāo)稱振蕩頻率8MHz,CL應(yīng)該為4.02pF。
04
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晶振的參數(shù)
1、頻率
晶振頻率是工作頻率的簡(jiǎn)稱,晶振元件在電路中正常工作時(shí)候的理想頻率就是工作頻率,這個(gè)參數(shù)在晶振設(shè)計(jì)好的時(shí)候就固定好了,我們?cè)诓少?gòu)的時(shí)候應(yīng)該順應(yīng)需求選擇合理選擇。
2、頻差
基溫下工作頻率與名義頻率的最大允許偏差。
3、溫差
允許工作頻率在整個(gè)溫度范圍內(nèi)相對(duì)于基準(zhǔn)溫度的偏差,通常以ppm為代表。
4、老化率
由時(shí)間引起的頻率偏移,這個(gè)指標(biāo)對(duì)于精密儀器是必要的。它沒(méi)有明確的測(cè)試條件,而是由制造商通過(guò)對(duì)所有產(chǎn)品的計(jì)劃采樣持續(xù)監(jiān)督。某些晶體元素可能比規(guī)定的老化率有些偏差,這是允許的,老化問(wèn)題的最佳解決方案只能靠制造商和用戶之間的密切協(xié)商。
5、負(fù)載電容
用晶體元件測(cè)定負(fù)載共振頻率FL的有效外電容,晶體元件規(guī)范中的cl是一個(gè)測(cè)試條件和一個(gè)使用條件,可根據(jù)用戶的具體用途調(diào)整,以微調(diào)實(shí)際工作頻率(即制造公差可調(diào)整)。然而它具有一個(gè)合適的值,否則它會(huì)使振蕩電路老化。其值通常是10PF、15PF、20PF、30PF、50PF等,其中Cl用于串聯(lián)諧振電路,其操作頻率為晶體的諧振頻率。對(duì)于某些晶體(包括非封裝振蕩器的應(yīng)用),0.5pf的實(shí)際電容的誤差可能導(dǎo)致給定負(fù)載電容器(特別是小負(fù)載電容器)下的頻率誤差為+-6,因此負(fù)載電容是訂單規(guī)范的一個(gè)重要指標(biāo)。
05
如何選擇晶振的負(fù)載電容
晶振的匹配電容是怎么定義的?
前文我們有計(jì)算過(guò)晶振的負(fù)載電容,一般規(guī)格書中有推薦的負(fù)載電容值,它是指晶振要正常振蕩時(shí)所需的電容。
很多工程師誤解以為這個(gè)晶振的CL參數(shù)就是等同于晶振振蕩電路里的C1 C2兩個(gè)外掛電容的串聯(lián)等效電容C1*C2/(C1+C2)。其實(shí)負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC 塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和.
**晶振的負(fù)載電容=[(C1*C2)/(C1+C2)]+Cic+△C **
式中C1,C2為分別接在晶振的兩個(gè)腳上和對(duì)地的電容,Cic集成電路內(nèi)部電容+△C PCB上電容,經(jīng)驗(yàn)值為3至5pf。
假設(shè)一個(gè)10PF的負(fù)載電容的晶振電路,外掛旁路電容的大小應(yīng)該可以這樣推算:1)假設(shè)雜散電容為5pF,C1/C2=(10-5)*2 =10PF;
2)假設(shè)按照3PF來(lái)推算,C1/C2=(10-3)*2=14PF,可以就近選擇15PF接入電路。如果不做精確的回路調(diào)查工作,可以依照此數(shù)字做大概的推算并調(diào)試。
06
—
晶振使用注意事項(xiàng)
1、位置要選對(duì):晶振內(nèi)部是石英晶體,如果不慎掉落或受不明撞擊,石英晶體易斷裂破損,所以晶振的放置遠(yuǎn)離板邊,靠近MCU的位置布局。
2、兩靠近:耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源管腳,如果多個(gè)耦合電容,按照電源流入方向,依次容值從大到小擺放;晶振則要盡量的靠近MCU。
3、走線短:在電路系統(tǒng)中,高速時(shí)鐘信號(hào)線優(yōu)先級(jí)最高,一般在布線時(shí),需要優(yōu)先考慮系統(tǒng)的主時(shí)鐘信號(hào)線。時(shí)鐘線是敏感信號(hào),頻率越高,要求走線盡量的短,保證信號(hào)的失真度最小。
4、高獨(dú)立:盡可能保證晶振周圍的沒(méi)有其他元件。防止器件之間的互相干擾,影響時(shí)鐘和其他信號(hào)的質(zhì)量。網(wǎng)傳是300mil內(nèi)不要布線,實(shí)際在設(shè)計(jì)中并沒(méi)有如此嚴(yán)格。
5、外殼要接地:晶振的外殼必須要接地,除了防止晶振向外輻射,也可以屏蔽外來(lái)的干擾。
6、謹(jǐn)慎選擇C1、C2的容值。盡量按照晶振廠家提供的推薦值設(shè)計(jì)。在滿足起震要求的前提下,C1、C2的取值可以盡量小,能縮短石英晶振起震時(shí)間。
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