对晶振振荡电路比较熟悉的都知道,石英晶体振荡器的电路槽路比普通的石英晶体要复杂的多,而且对晶体本身的稳定性,起振性,寿命,性能等方面都具有很大的影响力,制造一颗好的石英晶振除了材料和生产技术,工艺之外,设置布局电路也是尤为重要,接下来CEOB2B晶振平台为大家提供有源晶振电路的实践理论分析。
对于有源晶振电路,因为晶体等效电路存在串联谐振和并联谐振两种谐振状态和两个谐振频率,晶体振荡电路也有并联型和串联型两种。前者利用并联谐振选择振荡频率,后者利用串联谐振选择谐振频率。可以通过有无使用电容来区分是串联型晶体振荡电路还是并联型晶体放大电路。
晶体振荡电路起振条件分析
对于并联型晶体振荡电路,晶体与C1、C2 构成并联谐振回路。晶振工作在感性区,相当于一个电感。可见并联型晶体振荡电路完全可以用电容三点式LC振荡电路的理论来分析。
对于串联型晶体振荡电路,T1一级为共基极放大电路,T2一级为共集电极放大电路,两者输出信号对输入信号都不反相。因此断开由Rf和晶体构成的反馈回路,在输入端给一个瞬时极性为+的信号,在输出端也得到一个瞬时极性为正的信号。只有石英晶体呈纯阻性、即发生串联谐振时,反馈信号的极性才跟输出信号一致。满足相位条件。
再看幅度条件:A=A1*A2,,其中R为石英晶振发生串联谐振时的等效电阻。因此只要调整Rc、Re2、Re1、Rf的值,使得A1*A2*F=1。即可以满足幅度条件。从而起振,振荡频率。
晶体振荡电路用作芯片时钟时的电路分析
在实际的晶体应用中,经常是利用外部的电容和贴片石英晶振接在芯片的XTAL1和XTAL2管脚获得芯片工作的时钟信号(如下图所示)。通常都是并联型晶体振荡电路。
在这种应用中,放大环节通常都是在芯片内部已经做好了,放大倍数A通常都是固定了。对于设计者来说需要选择合适的电容值C1和C2。
为便于分析,将芯片内部的放大环节用最简单的共射级放大电路来代替,同时将SMD晶振用晶体等效电路来代替。得到上面电路的等效电路如下图所示。
交流等效电路
在上面的交流等效电路中,可以看到三极管的三个极直接跟电容相连,并联型晶体振荡电路中晶体工作在感性区,因此对于电容三点式LC振荡电路和并联型晶体振荡电路的分析结论对此处仍然完全适用。
先看相位条件,芯片内部的反响放大器将输入信号反相,即∠A=180度。外部反馈网络中,可以很明显地看到,Uf和Uo反相,即∠F=180度。从而满足相位条件。
至于幅度条件,|A|是由IC本身所决定的,只要C2和C1的比值选定的合适,则|A|*|F|=1的幅度条件也是可以满足的。其振荡频率为: