美國(guó)FOX晶振總公司位于佛羅里達(dá)州的邁爾斯堡，是家族式的集團(tuán)，主要開發(fā)和生產(chǎn)各種石英晶體和石英晶體振蕩器，成立于1979年，是一家值得信任和可靠的頻率元件制造商。截止2018年最后一個(gè)季度，Fox晶振在全球范圍內(nèi)，共有10000多家客戶，自主研發(fā)的晶振型號(hào)有幾百款，從簡(jiǎn)單的晶體，到現(xiàn)在比較重視的振蕩器系列，幾十年間?？怂咕д窆境蔀槊绹?guó)較具有潛力的一家石英水晶組件供應(yīng)商。

本文旨在為工程師提供有關(guān)晶體控制振蕩器的基本信息。出于本文的目的，振蕩器可以定義為用于穩(wěn)定時(shí)頻發(fā)生器的設(shè)備，特別是那些提供數(shù)據(jù)處理設(shè)備使用的時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)備。由于具有內(nèi)置計(jì)時(shí)功能的微處理器設(shè)備的激增，石英晶體振蕩器幾乎無(wú)處不在。盡管有這種趨勢(shì)（或者也許是因?yàn)樗?，總結(jié)振蕩器的基本信息是有用的。在其最簡(jiǎn)單的形式中，振蕩器由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成，即放大器網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)。圖1.0說(shuō)明了這種基本配置。

正如所料，放大器網(wǎng)絡(luò)放大了所施加信號(hào)的強(qiáng)度。反饋網(wǎng)絡(luò)接收該信號(hào)，校正可能存在的任何異相情況，然后將信號(hào)返回到放大器網(wǎng)絡(luò)和振蕩器的輸出級(jí)。只要振蕩器通電，該過(guò)程就會(huì)持續(xù)。由于所討論的設(shè)備的性質(zhì)，我們可能理所當(dāng)然地認(rèn)為反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入側(cè)將存在異相條件。

基于以上所述，反饋網(wǎng)絡(luò)似乎對(duì)晶振的成功運(yùn)行至關(guān)重要，事實(shí)上，情況絕對(duì)如此。雖然可以使用諸如LCR網(wǎng)絡(luò)之類的分立組件的某種組合作為相位校正機(jī)制，但經(jīng)驗(yàn)表明這種方法很少令人滿意。這樣的電路將具有非常低的“Q”值并且在物理上將非常大。然而，其最大的缺點(diǎn)是這種網(wǎng)絡(luò)完全不能在任何顯著的溫度偏差下保持合理的頻率穩(wěn)定性。

因?yàn)檎袷幤鞯耐ǔＤ繕?biāo)是為輸出級(jí)提供特定的，良好控制的頻率，所以需要精確的相位校正方法。經(jīng)驗(yàn)表明，壓電石英晶體單元非常適合這項(xiàng)任務(wù)。出于本討論的目的，我們假設(shè)圖1.0的放大器網(wǎng)絡(luò)由集成電路組成，反饋網(wǎng)絡(luò)由石英晶體組成。在振蕩器電路按預(yù)期運(yùn)行之前，必須滿足兩個(gè)條件：

1.電路周圍的環(huán)路增益必須等于1或1。這可以通過(guò)放大器網(wǎng)絡(luò)的自限制特性或通過(guò)一些外部增益控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.電路周圍的凈相移必須等于2pn，其中n是整數(shù)，通常為1或2.在我們的本例中，石英諧振器負(fù)責(zé)將相位移動(dòng)到滿足條件2所需的程度。如果信號(hào)非常不同相，頻率遠(yuǎn)離石英晶體諧振器的諧振頻率，則振蕩器將無(wú)法按預(yù)期運(yùn)行（如果有的話）。

施加信號(hào)的相位變化不僅導(dǎo)致頻率的變化，而且導(dǎo)致電抗的變化。雖然振蕩器內(nèi)的所有組件可能引起電抗或多或少的變化，但是石英晶體的電抗非常明顯，以至于可以假設(shè)其他組件具有零電抗。

圖2.0顯示了石英晶體的電抗曲線。

如果我們以接近晶體自然諧振頻率的頻率施加交變信號(hào)，晶體將通過(guò)壓電效應(yīng)激勵(lì)。隨著頻率的增加，我們將達(dá)到晶體電阻的程度最小，電流最大。該點(diǎn)被識(shí)別為“串聯(lián)”諧振頻率，在上面表示為“fs”。此時(shí)晶體在零相位處諧振。

如果我們繼續(xù)增加頻率，我們將達(dá)到另一個(gè)零相位點(diǎn)，稱為“反”或“并聯(lián)”諧振點(diǎn)。此時(shí)，晶體單元的電阻最大，電流最小。該頻率固有地不穩(wěn)定，不應(yīng)選擇作為振蕩器的工作頻率。圖2.0還示出了被識(shí)別為“通常并聯(lián)共振區(qū)域”的區(qū)域。出于我們的目的，我們將該區(qū)域內(nèi)的頻率視為“并行”頻率。

正如有兩個(gè)與石英晶振相關(guān)的零相位頻率，有兩種基本類型的振蕩器。與晶體一樣，第一種稱為串聯(lián)諧振型，如圖3.0所示。

圖3.0所示的串聯(lián)諧振電路能夠在發(fā)生晶體故障時(shí)以某種非晶體控制頻率振蕩。如果需要，該電路不提供頻率調(diào)整。該電路有時(shí)也很難啟動(dòng)。此外，真正的串聯(lián)電路在生產(chǎn)中非常難以實(shí)現(xiàn)，因此輸出頻率通常與設(shè)計(jì)參數(shù)略有不同（如果僅有的話）。

第二種類型的電路是“并聯(lián)諧振”電路，如圖4.0所示。您將立即注意到包含兩個(gè)電容，稱為CL1和CL2。這些電容器位于石英晶體外部，具有將諧振頻率提高到高于串聯(lián)諧振頻率的效果。特別注意，振蕩器頻率增加而不是時(shí)鐘晶體頻率。這個(gè)頻率通常被稱為“并行”頻率，但實(shí)際上這是一個(gè)誤稱。該頻率來(lái)自包含電容器，應(yīng)恰當(dāng)?shù)胤Q為“負(fù)載諧振”頻率。由于電容器將頻率增加到高于串聯(lián)諧振頻率的點(diǎn)，因此必須仔細(xì)計(jì)算和指定它們的值。

與串聯(lián)諧振電路相比，圖4.0所示的電路在晶體故障時(shí)不會(huì)繼續(xù)振蕩，并且如果需要調(diào)整則提供頻率調(diào)節(jié)手段。所有振蕩器電路都依靠噪聲作為啟動(dòng)振蕩的手段; 并聯(lián)電路通過(guò)電容器的介質(zhì)提供額外的噪聲。在使用集成電路的應(yīng)用中推薦使用所謂的“并聯(lián)諧振”電路。

Fox Crystal公司提供的這份關(guān)于石英晶體振蕩器電路的基礎(chǔ)資料，目的是為了幫助各大工廠和企業(yè)的工程，更加的了解并熟悉振蕩器，可以更好的選擇和應(yīng)用晶體振蕩器。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)確認(rèn)好需要的晶振型號(hào)，封裝和詳細(xì)的規(guī)格，并向供應(yīng)商尋求幫助，測(cè)試樣品，如果不清楚產(chǎn)品方案需要用到哪種諧振器或振蕩器，可以讓供應(yīng)商幫助選型。