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晶體僅在最終應(yīng)用中提供頻率選擇元件。有外部并且需要增益級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)最終所需的時(shí)鐘信號(hào)。這個(gè)晶體頻率范圍通常被認(rèn)為小于160MHz。這個(gè)頻率以上的晶體需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，調(diào)諧困難，需要專門(mén)的高頻晶體。

需要提供CMOS或BJT增益級(jí)，有許多可接受的配置。這個(gè)該級(jí)的輸入和輸出阻抗會(huì)影響電路Q。放大器噪聲水平會(huì)影響這兩者相位噪聲和抖動(dòng)。該級(jí)如何在有源增益區(qū)偏置對(duì)振蕩器至關(guān)重要啟動(dòng)。此外，該階段的帶寬會(huì)影響啟動(dòng)特性。如果振蕩器電路為了在泛音上操作晶體，放大器中需要一個(gè)頻率選擇裝置電路，以確保電路在所需的晶體泛音處僅具有所需的增益和相移。
振蕩器電路在晶體諧振時(shí)產(chǎn)生交流電流。此交流電流或驅(qū)動(dòng)器液位必須低于臨界值，否則晶體可能會(huì)損壞。過(guò)大的電流會(huì)導(dǎo)致晶體運(yùn)動(dòng)超過(guò)彈性極限而斷裂。XY切割（音叉）32.768KHz手表晶體必須限制在約5µA或更小，否則晶體的尖端將斷裂。
>1MHz的SMD無(wú)源晶體通常是AT切割晶體。這些設(shè)備可以容忍較寬的驅(qū)動(dòng)器級(jí)別范圍在達(dá)到毫瓦驅(qū)動(dòng)水平之前，不會(huì)發(fā)生斷裂。增加的老化可能發(fā)生在更高的µW驅(qū)動(dòng)范圍。過(guò)度驅(qū)動(dòng)晶體會(huì)激發(fā)不想要的振動(dòng)模式。這些可以導(dǎo)致在不同的狹窄溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的頻率跳躍。
在大多數(shù)情況下，晶體在無(wú)功負(fù)載下運(yùn)行。這樣可以調(diào)整最終最終應(yīng)用中的頻率。這通常需要校正頻率變化與水晶的時(shí)間。CLOAD值決定了頻率與負(fù)載電容的靈敏度。AT切割晶體對(duì)于低值可以具有30ppm/pF的靈敏度。使用更高的負(fù)載值電容降低了靈敏度，但增加了振蕩啟動(dòng)的難度。CLOAD溫度特性可以改變振蕩器的頻率對(duì)溫度的響應(yīng)。
晶體的頻率響應(yīng)由晶體穿過(guò)原子的切口決定石英晶體的平面。這導(dǎo)致了穩(wěn)定且可重復(fù)的溫度響應(yīng)。這個(gè)曲線圖顯示了AT切割晶體的不同切割的頻率-溫度響應(yīng)。每個(gè)曲線有2分鐘的弧度不同。

每條曲線是通過(guò)石英晶體的原子平面的切割的2分鐘弧的變化。

晶體有許多參數(shù)需要指定，以確保接收到符合最終應(yīng)用程序要求。
•頻率
•校準(zhǔn)，設(shè)定點(diǎn)為25°C

•CLOAD
•穩(wěn)定性，頻率與25°C溫度的關(guān)系
•工作溫度范圍
•Cl的最大ESR，晶體諧振電阻
•C0范圍，引腳間電容
•LMOTIONAL或CMOTIONAL，設(shè)置晶體的拉出能力
•驅(qū)動(dòng)級(jí)別
•頻率和電阻的驅(qū)動(dòng)電平依賴性（DLD）
•老化
•絕緣電阻
還有其他規(guī)范，如每°C允許的最大頻率變化，或平滑曲線允許的最大響應(yīng)（擾動(dòng)控制）。

進(jìn)貨檢驗(yàn)或測(cè)試需要專用設(shè)備：
•晶體阻抗計(jì)（CI計(jì)）
•具有特殊測(cè)試夾具和軟件的網(wǎng)絡(luò)分析儀
電路板布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。以下是一些注意事項(xiàng)：
•導(dǎo)線長(zhǎng)度必須盡可能短。
•晶體引線阻抗高，對(duì)噪聲非常敏感。
•電容器和晶體封裝的接地節(jié)點(diǎn)不得涉及循環(huán)噪聲源的電流。
•如果引線上的泄漏路徑低于500K歐姆，這可能會(huì)影響振蕩器的啟動(dòng)并且還將使頻率偏移多達(dá)幾個(gè)ppm。

康納溫菲爾德石英晶體振蕩器介紹，優(yōu)秀的Connor-winfield晶振公司憑借其50多年的歷史以及豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)服務(wù)，不斷的更新創(chuàng)造更具有價(jià)值的頻率控制產(chǎn)品。并通過(guò)自身的不懈的努力，打磨優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，產(chǎn)品具有高精度，高頻率，高性能，小體積，高溫度，低抖動(dòng)等特點(diǎn)，產(chǎn)品包含溫補(bǔ)晶振，壓控晶振，石英晶體振蕩器等產(chǎn)品。盡管引及了競(jìng)爭(zhēng)性諧振器技術(shù)，但與目前可用的任何其它頻率控制技術(shù)相比，基于石英的振蕩器在長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定性精度以及低抖動(dòng)和低相位噪聲信號(hào)生成方面繼續(xù)提供最高水平的性能。

大多數(shù)IC帶有內(nèi)置有源晶體振蕩器電路采用Gated-Pierce設(shè)計(jì)，其中振蕩器是圍繞單個(gè)CMOS反相門(mén)構(gòu)建的。對(duì)于振蕩器的應(yīng)用這通常是一個(gè)單一的反相包括一個(gè)P通道和一個(gè)N通道的級(jí)增強(qiáng)型MOSFET，更常見(jiàn)在數(shù)字世界中，作為一個(gè)無(wú)緩沖逆變器（見(jiàn)圖。1） 。可以使用緩沖逆變器（通常包括三個(gè)串聯(lián)的P-N MOSFET對(duì)），但是數(shù)千的相關(guān)收益將導(dǎo)致可能不太穩(wěn)定的成品振蕩器。

一個(gè)實(shí)用的振蕩器電路如圖2所示包括所述未緩沖反相器、兩個(gè)電容器，兩個(gè)電阻器和石英晶體。了解如何該振蕩器工作CMOS反相門(mén)必須被視為具有增益、相位和傳播延遲約束，而不是作為邏輯設(shè)備使用1和0。康納溫菲爾德石英晶體振蕩器介紹

圖3顯示了直流傳輸特性（Vin與。Vout）和未緩沖的DC偏置點(diǎn)線HCMOS逆變器74HCU04。在3.3V和1M? 對(duì)于Rf，逆變器將與其輸入和輸出一起放置電壓約為1.65V。這種逆變器現(xiàn)在被認(rèn)為是在其線性區(qū)域中被偏置。輸入的微小變化電壓將被增益放大，并顯示為輸出電壓的變化較大。

圖4顯示了一組典型的開(kāi)環(huán)增益曲線相同的74HCU04。在3.3V時(shí)，逆變器的增益為20（26 dBV）從DC到2MHz，具有3dB衰減頻率為8.5MHz，并且看起來(lái)仍然具有增益超過(guò)100MHz。
為了將這種偏置反相門(mén)用作振蕩器，它必須具有足夠的增益克服了反饋網(wǎng)絡(luò)的損耗（圖中的C1、C2、Rlim和石英晶體。2） ，振蕩頻率下的負(fù)電阻足以超過(guò)晶體等效串聯(lián)電阻，以及整個(gè)電路周圍的相移360度。人們很容易想到這種74HCU04逆變器可以用來(lái)制造工作頻率超過(guò)100MHz的振蕩器，因?yàn)樗?.3V時(shí)有足夠的增益，但實(shí)際上由于各種振蕩器環(huán)路周圍的相移。
該電路的分析很難概括，因?yàn)樗浅Ｒ蕾囉诩易逅褂玫腃MOS門(mén)以及該特定CMOS家族的內(nèi)部構(gòu)造。全部的CMOS反相門(mén)具有輸入電容、輸出電容和輸出“電阻”和傳播延遲，所有這些都會(huì)影響C1、C2和Rlim的選擇如圖2所示，并最終確定OSC晶振的較高工作頻率。選擇偏置電阻器Rf通常在1M之間? 和10M?, 降低一個(gè)值將有效出現(xiàn)在水晶上，并可能導(dǎo)致水晶在雜散或泛音頻率。康納溫菲爾德石英晶體振蕩器介紹.
考慮一個(gè)ESR為15的20MHz晶體?, 3pF的C0，需要負(fù)載電容為20pF，晶體功耗約為100µW。

從20pF的期望負(fù)載電容開(kāi)始，這可以近似為C1+柵極輸入電容（1至5pF是典型值）與C2串聯(lián)。C1的比率至C2將影響增益和晶體功率耗散。一個(gè)好的起點(diǎn)是C1≈C2。為了增加環(huán)路增益（并降低晶體功耗），使C1＜C2。這對(duì)于負(fù)載電容為20pF，柵極具有~3pF的輸入電容。

本應(yīng)用筆記主要介紹了將32.768K晶振連接到實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的晶體選擇和布局技術(shù).它還提供有關(guān)振蕩器電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題的信息.振蕩器是皮爾斯型振蕩器的CMOS反相器變體.圖1顯示了一般配置.這些RTC包括集成負(fù)載電容(CL1和CL2)和偏置電阻.皮爾斯振蕩器利用以并聯(lián)諧振模式工作的晶體.并聯(lián)諧振模式中使用的晶體被指定為具有特定負(fù)載電容的特定頻率.

石英晶體振蕩器的輸出頻率可以是基波諧振頻率,也可以是該諧振頻率的倍數(shù),稱為諧波頻率.諧波是基頻的精確整數(shù)倍.但是,像許多其他機(jī)械諧振器一樣,晶體表現(xiàn)出幾種振蕩模式,通常是基頻的奇整數(shù)倍.這些被稱為"泛音模式",振蕩器電路可以用來(lái)激勵(lì)它們.泛音模式的頻率近似,但不是基模頻率的奇整數(shù)倍,因此泛音頻率不是基模的精確諧波.

為了石英晶體振蕩器的設(shè)計(jì)和工程成功,設(shè)計(jì)工程師必須首先了解石英晶振.晶體作為振蕩器電路中的最高Q分量,對(duì)電路的影響最大.因此,正確指定晶體對(duì)于設(shè)計(jì)良好的振蕩器至關(guān)重要.這個(gè)迷你引物將涵蓋石英晶體中一些最容易被誤解的參數(shù).圖1顯示了晶體諧振器的等效電路.

這些石英晶體振蕩器非常穩(wěn)定,具有良好的品質(zhì)因數(shù),尺寸小,非常經(jīng)濟(jì).因此,與諸如LC電路,轉(zhuǎn)向叉等的其他諧振器相比,石英晶體振蕩器電路是優(yōu)越的.通常,8MHz晶體振蕩器用于微處理器和微控制器.等效電路也代表晶體的晶體作用.電路中使用的基本元件,電感L1代表晶體質(zhì)量,電容C1代表柔量,電阻R1代表晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)摩擦,C0代表晶體機(jī)械成型所形成的電容.

到2022年,全球晶體振蕩器市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)將達(dá)到32億美元,從2016年到2022年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為5.8％.晶體振蕩器電路是一種諧振裝置,它使用壓電石英晶體諧振器通過(guò)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生精確頻率的電脈沖.由于晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn),例如將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電脈沖,反之亦然,在這些晶體中使用壓電材料.這些優(yōu)點(diǎn)拓寬了晶體振蕩器的應(yīng)用領(lǐng)域.晶體振蕩器是一種電子振蕩器/頻率振蕩器,可產(chǎn)生一定頻率的振蕩.這些晶體用于數(shù)字設(shè)備,例如集成電路,無(wú)線電發(fā)射器和手表,以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào).

石英晶體振蕩器中的抖動(dòng)顧名思義,RJ(隨機(jī)抖動(dòng))指的是不可預(yù)測(cè)的抖動(dòng)元素,可以基于器件本身的固有特性或由于熱噪聲等的影響而自然誘發(fā).隨著時(shí)間的推移,RJ特征越來(lái)越廣.參考信號(hào)源的實(shí)際抖動(dòng)是由用作參考時(shí)鐘源的振蕩器引起的對(duì)RJ有貢獻(xiàn)的元素.在其他系統(tǒng)中,DJ歸因于電路板PSU噪聲,串?dāng)_和電纜設(shè)計(jì)的影響導(dǎo)致頻帶不足,而RJ歸因于專用集成電路噪聲.系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的任務(wù)是改進(jìn)專用集成電路設(shè)計(jì)或改變電路板布局和組件,以減少TJ.市場(chǎng)上振蕩器(參考信號(hào)源)的[結(jié)構(gòu)和特性]從以上部分可以看出,保持信號(hào)質(zhì)量需要選擇不受噪聲或抖動(dòng)影響的參考時(shí)鐘源.接下來(lái),我們回顧目前市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)(類型)和特性.