振蕩器簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環中。詳細說就是一個不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉化，這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。本文主要介紹晶體振蕩器的分類，常見石英晶體的特性及原理等。

    1、振蕩器分類

    振蕩器的分類如下：

    在皮爾斯系列中，接地點位置對性能有很大的影響。皮爾斯電路的接法相對于寄生電抗和偏置電阻來說，一般要好于其他幾種電路，因為它們多半是跨接在電路的電容上，而不是跨接在晶體器件上。它是高穩定度振蕩器應用zui廣泛的電路之一。雖然皮爾斯系列可以通過把電感與晶體串聯起來使它工作在串聯諧振上，但是它一般還是工作在“并聯諧振”上。

    在考畢茲電路的接法中，較大部分寄生電容出現在晶體的兩端，同時偏置電阻也跨接在晶體上，這就會降低性能。

    克拉普電路的接法很少使用，因為集電直接與晶體連接，這就很難將直流電壓加在集電上而又不引入損耗或寄生振蕩。

    布特勒系列通常工作在（或接近）串聯諧振上，皮爾斯系列可以被設計用來使晶體電流高于或低于發射電流情況下進行工作。

    當高穩定性不是主要考慮的問題時，門電路振蕩器是數字系統的常用電路。

    大多數情況要求正弦波輸出，或者TTL兼容，或者CMOS兼容，或者ECL兼容輸出。后三種輸出都是由正弦波產生。虛線表示輸入電壓，實線表示輸出。對于正弦波振蕩器來說，對于正弦波振蕩器沒有“標準的”輸入電壓。CMOS的輸入電壓一般為1~10V。

    2、晶體振蕩電路(Pierce-gate oscillator crystal)

    MCU的振蕩電路叫“三點式電容振蕩電路”，晶體相當于三點式里面的電感，C1和C2就是電容，5404和R1實現一個NPN的三管。

    5404必須要一個電阻，不然它處于飽和截止區，而不是放大區，R1相當于三管的偏置作用，讓5404處于放大區域，那么5404就是一個反相器，這個就實現了NPN三管的作用，NPN三管在共發射接法時也是一個反相器。

    一個正弦振蕩電路要振蕩的條件是，系統放大倍數大于1，這個容易實現，相位滿足360°，接下來主要講解這個相位問題：5404因為是反相器，也就是說實現了180°移相，那么就需要C1，C2和Y1實現180°移相就可以，恰好，當C1，C2，Y1形成諧振時，能夠實現180°移相，這個大家zui簡單的可以以地作為參考，諧振的時候，C1、C2上通過的電流一樣，地在C1、C2中間，所以恰好電壓相反，實現180°移相。當C1增大時，C2端的振幅增強，當C2降低時，振幅也增強。

    有些時候C1，C2不焊也能起振，這個不是說沒有C1，C2，而是因為芯片引腳的分布電容引起的，因為本來這個C1，C2就不需要很大，所以這一點很重要。接下來分析這兩個電容對振蕩穩定性的影響。因為5404的電壓反饋是靠C2的，假設C2過大，反饋電壓過低，這個也是不穩定，假設C2過小，反饋電壓過高，儲存能量過少，容易受外界干擾，也會輻射影響外界。C1的作用對C2恰好相反。因為我們布板的時候，假設雙面板，比較厚的，那么分布電容的影響不是很大，假設在高密度多層板時，就需要考慮分布電容，尤其是VCO之類的振蕩電路，更應該考慮分布電容。

    （1）晶體震蕩器分類

    IEC 60679將晶體振蕩器分為4類：普通（標準封裝）晶體振蕩SPXO、壓控振蕩VCXO、溫度補償振蕩TCXO、恒溫振蕩OCXO。zui新的還有數字補償振蕩DCXO。

    VCXO是通過施加外部控制電壓使晶體振蕩頻率可變或可調制。通過控制變容二管的電壓來改變變容二管的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達到頻率調制的目的。

    TCXO是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產生的振蕩頻率變化量削減的一種晶體振蕩器。來自溫度傳感器（熱敏電阻）的輸出信號被用來產生校正電壓，加在晶體網絡中的變容二管上。電抗的變化用以補償晶體的頻率溫度特性。分為直接補償和間接補償。直接補償是由熱敏電阻和阻容元件組成的，在振蕩器中和石英晶體振子中。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯電容的容值相應變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。不適合于精度小于±1ppm的場合。

    間接補償又分為模擬式和數字式，模擬式是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度-電壓變換電路，并將該電壓施加到與晶體振子串聯的變容二管上，通過晶體振子串聯電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率進行補償。該方法能實現±0.5ppm的精度。數字式的間接溫度補償是在模擬式的溫度-電壓變換電路后加一級AD變換，將模擬量轉換成數字量。

    模擬的TCXO在晶體的頻率隨溫度變化的范圍內能夠提供大概20倍的改善。

    OCXO恒溫控制晶體振蕩器，在這種振蕩器中，晶體和其他溫度敏感元件均裝在穩定的恒溫槽中，而恒溫槽被調整到頻率隨溫度的變化斜率為零的溫度上。OCXO能夠在晶體頻率隨溫度變化的范圍內提供1000倍以上的改善。

    四種類型的晶體振蕩器對比如下：

    （2）石英晶體特性

    石英晶體是一種壓電器件，它能夠實現電能和機械能的互相轉換。這個轉換發生在諧振頻率處。石英晶體的等效模型如下：

    C0：代表電引入的并聯電容

    Lm：（振蕩電感）代表晶體的振蕩量

    Cm：（振蕩電容MotionalCapacitance）代表晶體的振蕩彈性

    Rm：（振蕩電阻MotionalResistance）代表電流損耗

    晶體的阻抗計算式如下：（假設Rm是可以忽略的）

    Fs是晶體在Z=0時的串聯諧振頻率。它的表達式可以從等式（1）中推導出來：

    Fa是反諧振頻率，此時的Z趨于無窮大。從等式（1）中可以推導出它的表達式為：

    由Fs和Fa界定的區域被稱作為并聯諧振區域（上圖中的陰影部分）。在這段區域內，晶體工作在并聯諧振狀態下，其表現像一個電感，會在環路中增加180度的相移。它的頻率Fp（或FL：負載頻率）的表達式如下：

    從等式4中可以看出，晶體的振蕩頻率能夠通過使用不同的負載電容CL進行調校。這也就是為什么晶體制造商會在他們的晶體數據手冊內指明晶體振蕩在標定的頻率上時所需要的的負載電容CL值。

    下表給出了一個標定為8MHz的晶體，其等效電路元件值的例子。

    通過等式（2）、（3）、（4）我們可以算出這個晶體的Fs，Fa，Fp：

    Fs=7988768Hz，Fa=8008102Hz

    如果該晶體電上的負載電容CL等于10pF，則該晶體將振蕩在如下的頻率上：

    Fp=7995695Hz

    如果要的得到8MHz的振蕩頻率，則CL應等于4.02pF。

    （3）晶體切型和頻率

    切割方式是以光軸(Z軸)為參考而命名，每種切法對應一個角度。采用何種切法應根據實際情況而定，如對溫度特性要求較好則應采用AT-CUT，如果對晶振要求的頻率較高時則采用BT-CUT。晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等決定了晶振的頻率。

    （4）Pierce振蕩器原理及特性

    Inv：內部的反向器，作為放大器來工作。

    Q：石英晶體或者陶瓷諧振器。

    RF：內部反饋電阻。

    RExt：外部電阻，用于限制反向器的輸出電流。

    CL1和CL2：兩個外部負載電容。

    Cs：MCU引腳（OSC_IN和OSC_OUT）間和PCB線路上的雜散電容，它是一個并聯電容。

    實際使用中，皮爾斯振蕩器有以下一些特性：

    反饋電阻RF。在大多數的控制器中，RF是嵌入在振蕩器電路內部的，它的作用是使反向器作為放大器工作。該反饋電阻被并接在Vin和Vout上，這樣就使放大器的Vout=Vin，從而強制它運行在線性區內（圖5中的陰影區域）。放大器會把處于串-并頻率范圍（Fa，Fs）內的噪聲放大（例如，晶體的熱噪聲）。這個噪聲會引發振蕩器起振。在某些情況下，當振蕩器的振蕩穩定后將RF移走，振蕩器仍可以繼續正常的運行。

    負載電容CL。參照晶體震蕩電路一節。

    增益裕量。增益裕量是一個關鍵參數，它決定著振蕩器是否能夠起振。根據Eric Vittoz理論：晶體動態的等效RLC電路的阻抗由放大器和兩個外接電容的阻抗作補償。通常認為，增益裕量值為5是保證振蕩器有效起振的zui小值。如果達不到振蕩條件，晶體將不能振蕩。這時只能再選擇一個有更低ESR和/或有更低CL值的晶體了。

    驅動功率。驅動功率就是指晶體內消耗的功率。它必須被限制在一定范圍內，否則晶體會因過度的機械振動而損壞。zui大驅動功率由晶體制造商，單位通常用mW。超過的驅動功率，可能會導致晶體損壞。

    外接電阻RExt。這個電阻的作用是限制晶體的驅動功率。它和CL2一起構成了一個低通濾波器，強制振蕩器工作在基波頻率上，而不是其他高次諧波（防止振蕩器振蕩在3，5，7倍的基波頻率上）。如果晶體上的功率耗散大于制造商的值，則外接電阻RExt是必須的，以避免晶體被過驅動；如果晶體上的功率耗散小于制造商的值，則不建議加入外接電阻RExt，或者它的值為0Ω。RExt的值越大越好，可有效防止晶振被過驅動，但太大會導致增益裕量過小，不能起振。

    啟動時間。這是振蕩器從開始起振到振蕩穩定的時間。石英諧振器的啟動時間要比陶瓷諧振器的長。啟動時間取決于：外接電容CL1和CL2；晶體的振蕩頻率越高啟動時間越短；石英諧振器的啟動時間遠長于陶瓷諧振器。啟動問題通常可歸因于增益裕量，與之相關的是CL1和CL2過小或過大，或者是ESR太大了。

    一個MHz級的晶體，啟動時間一般是ms級。

    32kHz晶體的啟動時間一般在1-5s范圍內。

    牽引度。晶體牽引度（Pullability）是指在通常的并聯諧振應用中晶體頻率的改變。它也是對晶體在負載電容按規律變化時所對應的頻率變化的一個測量。負載電容減小會導致頻率增大；相反的，負載電容增大會導致頻率減小。

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