Oscillator操作理論
來源:http://netflixyz.com 作者:金洛鑫電子 2019年03月07
關(guān)于石英晶體振蕩器業(yè)內(nèi)已經(jīng)探討過無數(shù)次,作為比較有發(fā)展前景的頻率控制元器件,各大晶體制造商寄予很大的期望,未來的通信,網(wǎng)絡(luò),軍事,航天航空,信息,人工智能市場必定會(huì)用到Oscillator。同時(shí)也促進(jìn)了OSC,TCXO,VCXO,OCXO,LVDS,LV-PECL等系列技術(shù)進(jìn)步,為了應(yīng)對未來高要求,高性能市場,海外眾多晶振廠家都在加速對Oscillator的研究和升級(jí)。
振蕩器是現(xiàn)代數(shù)字IC的主要組成部分之一。根據(jù)其拓?fù)浜筒僮髟?,它們可以分為不同的子系列。每個(gè)振蕩器子系列對應(yīng)一個(gè)更合適的數(shù)學(xué)模型,可用于研究振蕩器行為并在理論上確定其性能。
負(fù)阻振蕩器原理:
振蕩回路由兩個(gè)分支組成(見圖4):
•振蕩回路的有效分支,由OSC晶振本身組成。該分支負(fù)責(zé)在啟動(dòng)時(shí)提供足夠的能量以使振蕩開始并積累直至其達(dá)到穩(wěn)定的振蕩階段。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí),振蕩器支路提供足夠的能量來補(bǔ)償振蕩環(huán)路無源支路損耗。
•無源分支主要由諧振器,兩個(gè)負(fù)載電容和所有寄生電容組成。
為了確保有源晶振成功啟動(dòng)并保持穩(wěn)定振蕩的能力,規(guī)定了振蕩回路的負(fù)阻與晶體最大等效串聯(lián)電阻(ESR)之間的比率:對于STM32和STM8微控制器,建議使用對于HSE振蕩器,比率高于x5,對于LSE振蕩器,比率高于x3。
諧振子系列可分為兩個(gè)主要子系列:
•負(fù)阻振蕩器
•正反饋振蕩器
這兩個(gè)振蕩器子系列與輸出波形相似。它們以所需頻率提供振蕩波形。由于振蕩回路的某些分量的非線性,該波形通常由所需頻率的基本正弦波形加上泛音諧波之和(在基頻諧波的頻率倍數(shù)處)組成。
這兩個(gè)子系列的操作原理不同。這種差異還意味著用于描述和分析每個(gè)子族的不同數(shù)學(xué)模型。
正反饋振蕩器通常使用著名的巴克豪森模型建模,其中振蕩器應(yīng)滿足巴克豪森標(biāo)準(zhǔn),以便能夠在所需頻率下保持穩(wěn)定的振蕩。
巴克豪森模型可以描述負(fù)阻振蕩器。然而,這種方法還不夠。分析負(fù)阻振蕩器的最合適方法是使用E.Vittoz的論文([1])中描述的負(fù)阻模型。
由于STM32低速外部(LSE)晶體振蕩器和高速外部(HSE)振蕩器均采用負(fù)阻原理設(shè)計(jì),因此本節(jié)重點(diǎn)介紹負(fù)阻模型。
負(fù)阻力:
從理論上講,石英晶體振蕩器負(fù)電阻是偶極子,它吸收熱量并將能量轉(zhuǎn)換成與施加的電壓成比例的電流,但是在相反的方向上流動(dòng)(恰好是電阻的相反機(jī)制)。實(shí)際上,這樣的偶極子不存在。事實(shí)上,術(shù)語“負(fù)電阻”是“負(fù)電阻”的誤稱,它由給定電壓變化(ΔV)除以感應(yīng)電流變化(ΔI)的比值定義。)。與始終為正的電阻不同,跨電阻(也稱為微分電阻)可以是正的也可以是負(fù)的。圖3給出了偶極子的電流-電壓曲線,顯示了負(fù)的跨阻區(qū)域。很明顯,V/I比率總是正的。然而,這不是ΔV/ΔI比的情況。
以紫色表示的I-V曲線部分顯示負(fù)反轉(zhuǎn):
而藍(lán)色曲線的部分顯示正反轉(zhuǎn):
與被定義為電阻的倒數(shù)的電導(dǎo)一樣,跨導(dǎo)也被定義為跨電阻的倒數(shù)??鐚?dǎo)也可以定義為由下式表示的微分電導(dǎo):
本文章僅涉及諧波振蕩器(弛張振蕩器不在本應(yīng)用筆記的范圍內(nèi)),特別關(guān)注穿孔振蕩器拓?fù)?。這種限制范圍是由于本文所涵蓋的STM32微控制器中嵌入的所有需要??外部無源元件(外部諧振器,負(fù)載電容等)的振蕩器都是前面提到的類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
弄清楚Oscillator的工作原理會(huì)方便工程們更好的利用,我們生活在一個(gè)高科技,高創(chuàng)新的新時(shí)代,振蕩器是科技發(fā)展中不能缺少的助力,振蕩器的時(shí)鐘頻率振蕩功能,在通電后可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,從而帶動(dòng)PCB板上其他元器件一起工作。而且晶振的工作年限是沒有固定的,只要是正常的操作,基本上就能一直用下去,只是每年會(huì)損耗一點(diǎn)。
振蕩器是現(xiàn)代數(shù)字IC的主要組成部分之一。根據(jù)其拓?fù)浜筒僮髟?,它們可以分為不同的子系列。每個(gè)振蕩器子系列對應(yīng)一個(gè)更合適的數(shù)學(xué)模型,可用于研究振蕩器行為并在理論上確定其性能。
負(fù)阻振蕩器原理:
振蕩回路由兩個(gè)分支組成(見圖4):
•振蕩回路的有效分支,由OSC晶振本身組成。該分支負(fù)責(zé)在啟動(dòng)時(shí)提供足夠的能量以使振蕩開始并積累直至其達(dá)到穩(wěn)定的振蕩階段。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí),振蕩器支路提供足夠的能量來補(bǔ)償振蕩環(huán)路無源支路損耗。
•無源分支主要由諧振器,兩個(gè)負(fù)載電容和所有寄生電容組成。
圖4.基于晶體諧振器的典型振蕩環(huán)路的框圖
遵循小信號(hào)理論并且當(dāng)有源分支(振蕩器部分)被正確偏置時(shí),后者應(yīng)使其跨導(dǎo)等于無源分支電導(dǎo),以便在振蕩器偏置電壓周圍保持穩(wěn)定的振蕩。然而,在啟動(dòng)時(shí),振蕩器跨導(dǎo)應(yīng)該高于振蕩回路的無源部分的電導(dǎo)的(倍數(shù)),以最大化從振蕩回路的固有噪聲建立振蕩的可能性。請注意,與振蕩環(huán)路無源支路電導(dǎo)相比,振蕩器跨導(dǎo)過大也可能使振蕩環(huán)路飽和并導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。為了確保有源晶振成功啟動(dòng)并保持穩(wěn)定振蕩的能力,規(guī)定了振蕩回路的負(fù)阻與晶體最大等效串聯(lián)電阻(ESR)之間的比率:對于STM32和STM8微控制器,建議使用對于HSE振蕩器,比率高于x5,對于LSE振蕩器,比率高于x3。
諧振子系列可分為兩個(gè)主要子系列:
•負(fù)阻振蕩器
•正反饋振蕩器
這兩個(gè)振蕩器子系列與輸出波形相似。它們以所需頻率提供振蕩波形。由于振蕩回路的某些分量的非線性,該波形通常由所需頻率的基本正弦波形加上泛音諧波之和(在基頻諧波的頻率倍數(shù)處)組成。
這兩個(gè)子系列的操作原理不同。這種差異還意味著用于描述和分析每個(gè)子族的不同數(shù)學(xué)模型。
正反饋振蕩器通常使用著名的巴克豪森模型建模,其中振蕩器應(yīng)滿足巴克豪森標(biāo)準(zhǔn),以便能夠在所需頻率下保持穩(wěn)定的振蕩。
巴克豪森模型可以描述負(fù)阻振蕩器。然而,這種方法還不夠。分析負(fù)阻振蕩器的最合適方法是使用E.Vittoz的論文([1])中描述的負(fù)阻模型。
由于STM32低速外部(LSE)晶體振蕩器和高速外部(HSE)振蕩器均采用負(fù)阻原理設(shè)計(jì),因此本節(jié)重點(diǎn)介紹負(fù)阻模型。
負(fù)阻力:
從理論上講,石英晶體振蕩器負(fù)電阻是偶極子,它吸收熱量并將能量轉(zhuǎn)換成與施加的電壓成比例的電流,但是在相反的方向上流動(dòng)(恰好是電阻的相反機(jī)制)。實(shí)際上,這樣的偶極子不存在。事實(shí)上,術(shù)語“負(fù)電阻”是“負(fù)電阻”的誤稱,它由給定電壓變化(ΔV)除以感應(yīng)電流變化(ΔI)的比值定義。)。與始終為正的電阻不同,跨電阻(也稱為微分電阻)可以是正的也可以是負(fù)的。圖3給出了偶極子的電流-電壓曲線,顯示了負(fù)的跨阻區(qū)域。很明顯,V/I比率總是正的。然而,這不是ΔV/ΔI比的情況。
以紫色表示的I-V曲線部分顯示負(fù)反轉(zhuǎn):
而藍(lán)色曲線的部分顯示正反轉(zhuǎn):
圖3.偶極子的I-V曲線顯示負(fù)的跨阻區(qū)域(紫色)
跨導(dǎo):與被定義為電阻的倒數(shù)的電導(dǎo)一樣,跨導(dǎo)也被定義為跨電阻的倒數(shù)??鐚?dǎo)也可以定義為由下式表示的微分電導(dǎo):
本文章僅涉及諧波振蕩器(弛張振蕩器不在本應(yīng)用筆記的范圍內(nèi)),特別關(guān)注穿孔振蕩器拓?fù)?。這種限制范圍是由于本文所涵蓋的STM32微控制器中嵌入的所有需要??外部無源元件(外部諧振器,負(fù)載電容等)的振蕩器都是前面提到的類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
弄清楚Oscillator的工作原理會(huì)方便工程們更好的利用,我們生活在一個(gè)高科技,高創(chuàng)新的新時(shí)代,振蕩器是科技發(fā)展中不能缺少的助力,振蕩器的時(shí)鐘頻率振蕩功能,在通電后可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,從而帶動(dòng)PCB板上其他元器件一起工作。而且晶振的工作年限是沒有固定的,只要是正常的操作,基本上就能一直用下去,只是每年會(huì)損耗一點(diǎn)。
正在載入評論數(shù)據(jù)...
相關(guān)資訊
- [2024-03-08]IQD晶體尺寸縮小的設(shè)計(jì)效果LFXT...
- [2024-03-07]Golledge衛(wèi)星通信中的頻率控制產(chǎn)...
- [2024-03-07]Golledge工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中...
- [2024-03-06]MTI-milliren恒溫晶振222系列振...
- [2024-03-06]MTI-milliren低G靈敏度銫原子鐘...
- [2024-03-05]GEYER高穩(wěn)定性KXO-V93T低功耗32...
- [2024-03-02]NEL為系統(tǒng)關(guān)鍵應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和制...
- [2024-01-06]溫補(bǔ)補(bǔ)償振蕩器的原理及特點(diǎn)