干货|晶振皮尔斯振荡电路中器件作用分析

启芯硬件 2024-09-21 20:56

  晶振皮尔斯振荡电路是一种常用于产生稳定的高频振荡信号的电路。它通常由晶体振荡器、电容器和电阻器组成。

晶体振荡器是整个电路的核心部件,它能够产生稳定的高频振荡信号。电容器和电阻器则用来调节振荡频率和稳定振荡信号的幅度。

如今使用最为广泛的晶振电路是所谓的皮尔斯振荡电路,如下图所示。其中的反相器通常在芯片内部。

晶体振荡电路中,通常会看到这么几个电子元器件,晶振和晶振两旁的电容。电容一端接地,一端接晶振。还有就是两个电阻,一个是跨接在晶振两端,一个接在晶振的输出端,同芯片相连。

1-并联电阻

    电路并联电阻是由于连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器,将输入进行反向180度输出,晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移,整个环路的相移360度,满足振荡的相位条件,同时还要求闭环增益大于等于1,晶体才正常工作。Xin和Xout的内部一般是一个施密特反相器,反相器是不能驱动晶体震荡的。因此,在反相器的两端并联一个电阻,由电阻完成将输出的信号反向。电阻的作用是将电路内部的反向器加一个反馈回路,形成放大器,当晶体并在其中会使反馈回路的交流等效按照晶体频率谐振,由于晶体的Q值非常高,因此电阻在很大的范围变化都不会影响输出频率,但会影响脉宽比的。    

晶振输入输出连接的电阻作用是产生负反馈,保证放大器工作在高增益的线性区,一般在M欧级,KHz晶振电路,并联电阻通常为10M欧,MHz晶振,并联电容通常为1M欧左右。

2-串联电阻

 电路串联电阻常用来预防晶振被过分驱动。      

 

关于晶振皮尔斯振荡电路中的Rs,Rf,C1和C2的作用与取值,解释如下:

In general, the smaller the value of Rs , the faster the oscillator will start. Rs must be large enough to avoid overdriving the crystal, yet small enough to provide enough current to start oscillation quickly (an Rs that’s too large could cause the oscillator to fail to start). Rs can in some cases be zero, especially with high-frequency crystals.

一般来说,Rs的值越小,振荡器启动得越快。Rs必须足够大以避免电流过驱动晶体,但又足够小以允许电路提供足够的电流来快速启动振荡(Rs太大可能导致振荡器无法启动)。在某些情况下,Rs可以是零或省略,尤其是对于高频晶体。    

RB, also known as feedback resistance (Rf) , is used to bias the input of the inverting amplifier. By pulling the input of the amplifier toward the voltage at the output, an unstable condition is created, stimulating oscillation. It can also be observed that feedback resistance affects the loop gain of the amplifier, which is augmented as the value for the feedback resistance is increased.

RB,又称反馈电阻(Rf:feedback resistance),用于偏置反相的输入放大器。通过将放大器的输入拉向输出端的电压,会产生不稳定的条件,从而激活振荡电路。我们还可以观察到,反馈电阻会影响放大器的环路增益,随着反馈电阻值的增加,环路增益会增大。

The value for capacitors C1 and C2 must be chosen correctly so that the series combination: (C1*C2) / (C1+C2) gives a value close to the load capacitance, CL, specified by the crystal manufacturer. Be sure to add stray capacitances (Cs) in the previous calculation. Occasionally, C1 can be chosen to be slightly smaller than C2 to increase the voltage swing at EXTAL without compromising stability; but for most applications, it is recommended to have the same value for C1 and C2.

我们必须针对电容 C1 和 C2 进行正确取值,以便串联组合(C1*C2)/(C1+C2) 给出的值接近晶体制造商指定的负载电容CL。请确保在该公式的计算中加上杂散电容Cs。有时,可以选择C1值略小于C2值,以便增加EXTAL的电压摆幅(提升晶振起振能力),而不会影响晶振的稳定性;但对于大多数应用,建议 C1 和 C2等值。

3-总结

晶振皮尔斯振荡电路中每个器件的作用如下:

晶体振荡器:产生稳定的高频振荡信号。

电容器:用来调节振荡频率和稳定振荡信号的幅度。

电阻器:用来限制电流,稳定振荡信号的幅度。    

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