硬件电路设计之“时钟系列之“晶体振荡器””

本文主要介绍晶体振荡器的分类，常见石英晶体的特性及原理等。

1、振荡器分类

振荡器的分类如下：

在皮尔斯系列中，接地点位置对性能有很大的影响。皮尔斯电路的接法相对于寄生电抗和偏置电阻来说，一般要好于其他几种电路，因为它们多半是跨接在电路的电容上，而不是跨接在晶体器件上。它是高稳定度振荡器应用最广泛的电路之一。虽然皮尔斯系列可以通过把电感与晶体串联起来使它工作在串联谐振上，但是它一般还是工作在“并联谐振”上。

在考毕兹电路的接法中，较大部分寄生电容出现在晶体的两端，同时偏置电阻也跨接在晶体上，这就会降低性能。

克拉普电路的接法很少使用，因为集电极直接与晶体连接，这就很难将直流电压加在集电极上而又不引入损耗或寄生振荡。

布特勒系列通常工作在（或接近）串联谐振上，皮尔斯系列可以被设计用来使晶体电流高于或低于发射极电流情况下进行工作。

当高稳定性不是主要考虑的问题时，门电路振荡器是数字系统的常用电路。

大多数情况要求正弦波输出，或者TTL兼容，或者CMOS兼容，或者ECL兼容输出。后三种输出都是由正弦波产生。虚线表示输入电压，实线表示输出。对于正弦波振荡器来说，对于正弦波振荡器没有“标准的”输入电压。CMOS的输入电压一般为1~10V。

2、晶体振荡电路(Pierce-gate oscillator crystal)

MCU的振荡电路叫“三点式电容振荡电路”，晶体相当于三点式里面的电感，C1和C2就是电容，5404和R1实现一个NPN的三极管。

5404必须要一个电阻，不然它处于饱和截止区，而不是放大区，R1相当于三极管的偏置作用，让5404处于放大区域，那么5404就是一个反相器，这个就实现了NPN三极管的作用，NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。

一个正弦振荡电路要振荡的条件是，系统放大倍数大于1，这个容易实现，相位满足360°，接下来主要讲解这个相位问题：5404因为是反相器，也就是说实现了180°移相，那么就需要C1，C2和Y1实现180°移相就可以，恰好，当C1，C2，Y1形成谐振时，能够实现180°移相，这个大家最简单的可以以地作为参考，谐振的时候，C1、C2上通过的电流一样，地在C1、C2中间，所以恰好电压相反，实现180°移相。当C1增大时，C2端的振幅增强，当C2降低时，振幅也增强。

有些时候C1，C2不焊也能起振，这个不是说没有C1，C2，而是因为芯片引脚的分布电容引起的，因为本来这个C1，C2就不需要很大，所以这一点很重要。接下来分析这两个电容对振荡稳定性的影响。因为5404的电压反馈是靠C2的，假设C2过大，反馈电压过低，这个也是不稳定，假设C2过小，反馈电压过高，储存能量过少，容易受外界干扰，也会辐射影响外界。C1的作用对C2恰好相反。因为我们布板的时候，假设双面板，比较厚的，那么分布电容的影响不是很大，假设在高密度多层板时，就需要考虑分布电容，尤其是VCO之类的振荡电路，更应该考虑分布电容。

2.1、晶体震荡器分类

IEC 60679将晶体振荡器分为4类：普通（标准封装）晶体振荡SPXO、压控振荡VCXO、温度补偿振荡TCXO、恒温振荡OCXO。最新的还有数字补偿振荡DCXO。

VCXO是通过施加外部控制电压使晶体振荡频率可变或可调制。通过控制变容二极管的电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。

TCXO是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种晶体振荡器。来自温度传感器（热敏电阻）的输出信号被用来产生校正电压，加在晶体网络中的变容二极管上。电抗的变化用以补偿晶体的频率温度特性。分为直接补偿和间接补偿。直接补偿是由热敏电阻和阻容元件组成的，在振荡器中和石英晶体振子中。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容的容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。不适合于精度小于±1ppm的场合。

间接补偿又分为模拟式和数字式，模拟式是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度-电压变换电路，并将该电压施加到与晶体振子串联的变容二极管上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率进行补偿。该方法能实现±0.5ppm的精度。数字式的间接温度补偿是在模拟式的温度-电压变换电路后加一级AD变换，将模拟量转换成数字量。

模拟的TCXO在晶体的频率随温度变化的范围内能够提供大概20倍的改善。

OCXO恒温控制晶体振荡器，在这种振荡器中，晶体和其他温度敏感元件均装在稳定的恒温槽中，而恒温槽被调整到频率随温度的变化斜率为零的温度上。OCXO能够在晶体频率随温度变化的范围内提供1000倍以上的改善。

四种类型的晶体振荡器对比如下：

2.2、石英晶体特性

石英晶体是一种压电器件，它能够实现电能和机械能的互相转换。这个转换发生在谐振频率处。石英晶体的等效模型如下：

• C0：代表电极引入的并联电容

• Lm：（振荡电感）代表晶体的振荡量

• Cm：（振荡电容MotionalCapacitance）代表晶体的振荡弹性

• Rm：（振荡电阻MotionalResistance）代表电流损耗

晶体的阻抗计算式如下：（假设Rm是可以忽略的）

Fs是晶体在Z=0时的串联谐振频率。它的表达式可以从等式（1）中推导出来：

Fa是反谐振频率，此时的Z趋于无穷大。从等式（1）中可以推导出它的表达式为：

由Fs和Fa界定的区域被称作为并联谐振区域（上图中的阴影部分）。在这段区域内，晶体工作在并联谐振状态下，其表现像一个电感，会在环路中增加180度的相移。它的频率Fp（或FL：负载频率）的表达式如下：

从等式4中可以看出，晶体的振荡频率能够通过使用不同的负载电容CL进行调校。这也就是为什么晶体制造商会在他们的晶体数据手册内指明晶体振荡在标定的频率上时所需要的精确的负载电容CL值。

下表给出了一个标定为8MHz的晶体，其等效电路元件值的例子。

通过等式（2）、（3）、（4）我们可以算出这个晶体的Fs，Fa，Fp：

Fs=7988768Hz，Fa=8008102Hz

如果该晶体电极上的负载电容CL等于10pF，则该晶体将振荡在如下的频率上：

Fp=7995695Hz

如果要精确的得到8MHz的振荡频率，则CL应等于4.02pF。

2.3、晶体切型和频率

切割方式是以光轴(Z轴)为参考而命名，每种切法对应一个角度。采用何种切法应根据实际情况而定，如对温度特性要求较好则应采用AT-CUT，如果对晶振要求的频率较高时则采用BT-CUT。晶片的切割方式、几何形状、尺寸等决定了晶振的频率。

2.4、Pierce振荡器原理及特性

• Inv：内部的反向器，作为放大器来工作。

• Q：石英晶体或者陶瓷谐振器。

• RF：内部反馈电阻。

• RExt：外部电阻，用于限制反向器的输出电流。

• CL1和CL2：两个外部负载电容。

• Cs：MCU引脚（OSC_IN和OSC_OUT）间和PCB线路上的杂散电容，它是一个并联电容。

实际使用中，皮尔斯振荡器有以下一些特性：

• 反馈电阻RF。在大多数的控制器中，RF是嵌入在振荡器电路内部的，它的作用是使反向器作为放大器工作。该反馈电阻被并接在Vin和Vout上，这样就使放大器的Vout=Vin，从而强制它运行在线性区内（图5中的阴影区域）。放大器会把处于串-并频率范围（Fa，Fs）内的噪声放大（例如，晶体的热噪声）。这个噪声会引发振荡器起振。在某些情况下，当振荡器的振荡稳定后将RF移走，振荡器仍可以继续正常的运行。

• 负载电容CL。参照晶体震荡电路一节。

• 增益裕量。增益裕量是一个关键参数，它决定着振荡器是否能够起振。根据Eric Vittoz理论：晶体动态的等效RLC电路的阻抗由放大器和两个外接电容的阻抗作补偿。通常认为，增益裕量值为5是保证振荡器有效起振的最小值。如果达不到振荡条件，晶体将不能振荡。这时只能再选择一个有更低ESR和/或有更低CL值的晶体了。

• 驱动功率。驱动功率就是指晶体内消耗的功率。它必须被限制在一定范围内，否则晶体会因过度的机械振动而损坏。最大驱动功率由晶体制造商指定，单位通常用mW。超过指定的驱动功率，可能会导致晶体损坏。

• 外接电阻RExt。这个电阻的作用是限制晶体的驱动功率。它和CL2一起构成了一个低通滤波器，强制振荡器工作在基波频率上，而不是其他高次谐波（防止振荡器振荡在3，5，7倍的基波频率上）。如果晶体上的功率耗散大于制造商的指定值，则外接电阻RExt是必须的，以避免晶体被过驱动；如果晶体上的功率耗散小于制造商的指定值，则不建议加入外接电阻RExt，或者它的值为0Ω。RExt的值越大越好，可有效防止晶振被过驱动，但太大会导致增益裕量过小，不能起振。

• 启动时间。这是振荡器从开始起振到振荡稳定的时间。石英谐振器的启动时间要比陶瓷谐振器的长。启动时间取决于：外接电容CL1和CL2；晶体的振荡频率越高启动时间越短；石英谐振器的启动时间远长于陶瓷谐振器。启动问题通常可归因于增益裕量，与之相关的是CL1和CL2过小或过大，或者是ESR太大了。

• 一个MHz级的晶体，启动时间一般是ms级。

• 32kHz晶体的启动时间一般在1-5s范围内。

• 牵引度。晶体牵引度（Pullability）是指在通常的并联谐振应用中晶体频率的改变。它也是对晶体在负载电容按指定规律变化时所对应的频率变化的一个测量。负载电容减小会导致频率增大；相反的，负载电容增大会导致频率减小。

本文主要针对晶体振荡器进行简单介绍和分类，介绍了石英晶体的振荡原理及特性。下一篇介绍常见的晶体的负载电容的计算方法及实际使用中的调整策略。