歐美品牌EUROQUARTZ振蕩器電路技術特別篇
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2020年07月01
歐美品牌EUROQUARTZ振蕩器電路技術特別篇
去年金洛鑫電子官網上線了許多新品牌,主要都是來自歐洲,美國,日本和韓國等地,Euroquartz晶振是知名度比較大的一家歐美晶振品牌,比起其他廠家成立的時間不算很長,但在整個歐美電子市場上,有一定的份量.最大的原因就是EUROQUARTZ公司擁有自己獨特的技術,可以提高產品的質量,并且有效的降低成本,其晶體振蕩器電路技術,在行業里是得到認可的先進.詳情請看以下內容.
如果您是主要從事數字設備工作的工程師,那么這些說明應該使您重新熟悉一些模擬理論.這種處理是非數學的,著重于電路設計的實際方面.各種振蕩器的設計表明,只需稍作試驗就可以輕松修改以滿足您的要求.如果您希望對該主題進行更”深入”的處理,則附錄包含公式和進一步閱讀的列表.
串聯還是并聯?
關于特定電路裝置是否需要并聯或串聯諧振晶體常常會造成混淆.為了澄清這一點,考慮晶體等效電路和晶體制造商校準晶體產品的方法是很有用的.(一些近似公式在附錄中給出.)“串聯”和”平行”晶體之間沒有內在的區別.僅僅是它們在校準頻率下對外部電路的阻抗問題.晶體表現出兩個非常接近的主共振,并且在共振時呈現出電阻性.串聯諧振是低頻,低電阻諧振;并聯或反諧振是高電阻諧振.在實踐中,您始終將振蕩頻率位于兩個共振之間的晶振視為平行共振.
晶體等效電路
在上面的晶體等效電路中,L1,C1和R1是晶體運動參數,C0是晶體電極之間的電容,以及由于其安裝和引出布置而引起的電容.由于在A處施加了可變頻率的恒定電壓源的結果,流入B處的負載的電流如下圖所示.
在低頻下,晶體運動臂的阻抗極高,并且電流僅由于C0的電抗降低而隨頻率增加而上升.L1與C1諧振時達到頻率fr,電流急劇上升,僅受串聯的RL和晶體運動電阻R1限制.在僅稍高的頻率下,運動臂會表現出增加的凈感抗,該感抗與fa處的C0發生諧振,導致電流降至非常低的值.fr和fa之間的差異取決于fr和C1與C0的比值.在更高的頻率下,不管其他晶體振動模式如何,電流都會恢復到僅由C0引起的電流.
在兩個諧振頻率下,晶體”看起來”像一個電阻,施加的電壓和產生的負載電流同相.實際上,由于等效電路中R1和C0的相對位置,實際情況并非如此.零相頻率與最大和最小傳輸頻率并不完全相同,但是在低于100MHz的頻率下,C0的電抗比R1高,可以認為是這樣.任何石英晶體振蕩器的確切頻率都取決于其內電壓和電流的相對相位,而不僅僅是印在晶體罐上的頻率.為了在所需頻率下發生振蕩,必須在該頻率上存在正反饋或零環路相移.
網絡轉型
大多數晶體振蕩器的設計目的是使晶體在電阻呈fr的fr或fr與fa之間的頻率工作;讓我們稱此頻率為fL,在該頻率下晶體呈現感應性.在這種情況下,連續的網絡轉換(請參見上一頁的電路)使您可以將晶振電路減少到只有兩個分量:凈電感和等效等效并聯或串聯電阻.
由于(Q)非常高,因此感抗與電阻之比很高,因此在(b)到(c)以及(d)到(e)的變換中,我們可以保持相同的電感值.我們可以說,”出于所有目的和目的”,與晶體并聯放置的負載電容器CL會以與晶體串聯的相同頻率(fL)與晶體諧振.因此,當我們留下高電阻值(EPR)或低電阻值(ESR)時,該頻率下的負載電流將與施加的電壓同相.
晶體校準
為了使我們作為晶體制造商能夠正確地校準晶體,我們需要知道您的電路在fr和fa之間的哪個點會使晶體振蕩.如果您的頻率為fr,則相關性沒有問題;我們只需調整晶體,使最接近最大傳輸頻率的零相移頻率在指定的容差范圍內.對于晶體必須具有感性的振蕩器,我們需要知道振蕩器電路將向晶體提供什么樣的有效負載電容.在這種情況下,步驟相同,只是晶體和該值電容器的串聯組合單獨代替了晶體.所有這種類型的實用振蕩器電路,即使只”雜散”,也會增加晶體電容,出于多種原因,建議將其提高到18pF,20pF或30pF的工業標準值之一.
在具有低阻抗正反饋路徑的調諧振蕩器中,該路徑可以由非電感可變電阻器或晶體來完成,如果振蕩器被調整為使得其振蕩頻率和振幅對于兩個路徑都是相同的,則晶體將作為其零相頻率Fr振蕩,并且可變電阻器的值將等于晶體等效電路中的R1值.類似地,如果校準的”負載”電容與晶體串聯,振蕩將發生在前線,可變電阻將等于晶體的ESR.實際上,由于晶體和可變電容連接點處不可避免的雜散電容導致的誤差,通常會計算而不是測量ESR數字.
在常規電橋中測量C0之后,可以將值分配給L1,C1和EPR.這是上面的晶體阻抗計的基礎.大約60MHz以上的晶體C0會引起非晶體控制的振蕩.實際上,如果電抗小于R1值的一半,則不存在零相條件.因此,在非常高的頻率下,C0通常被平衡或調出,fL讀數變得毫無意義.可替代地,最大傳輸頻率(fM)可以通過其他方式測量.
相位零測量系統
IEC已采用了零位相位測量系統(PZMS).在該系統中,晶體被制成低阻抗pi網絡衰減器的串聯臂,其輸入由頻率合成器驅動,而輸出則被電阻端接.pi網絡的每一端都連接到矢量電壓表的探針,該電壓表的AFC輸出控制合成器的頻率,以便如果晶體具有串聯的負載電容器,則系統會自動鎖定到晶體fr或fL.計算網絡損耗的等效電阻.PZMS具有很高的準確性和可重復性,并在晶體制造中提供了其他重要優勢.
振蕩條件振蕩器相移
任何振蕩器,無論是RC,LC還是晶體控制振蕩器,都需要滿足兩個條件才能以所需的頻率工作.在該頻率下,其環路增益必須大于1,并且環路相移必須為零(2n弧度,其中n=0或一個整數).
實際上,振蕩器可以分為兩組:
1.)同相維持放大器.
反饋網絡必須在工作頻率上提供零相移.
2.)反相維護放大器.
反饋網絡必須提供π弧度.
如果將與校準晶體的負載電容相等的電容器與晶體串聯放置,則也可以使電路在負載或并聯諧振頻率下振蕩.如果是微調器,則額外的電容器可提供一種方便的方式來調節有源晶振頻率,并可用于調整晶體校準容差.但是,由于晶振的ESR略高于R1(取決于CL和C0),因此需要更多的放大器增益.
實際上,不存在沒有多余相移的”完美放大器”.某些同相放大器,特別是微處理器時鐘和采用級聯邏輯電路的放大器,在工作頻率下可能會出現明顯的滯后相移.更糟糕的是,在某些電路中,由于這些放大器中存在許多非線性有源級,因此在整個工作周期中,滯后不是恒定的.結果是差的短期穩定性或抖動.
在晶體看來,放大器內恒定的滯后相移表現為電感Leq,如(1)所示.)與完美的放大器串聯.為了實現振蕩,電路必須提供容抗以抵消該電感;這意味著,它必須以低于fr的頻率振蕩.危險在于,由于與晶體C0諧振的電感以及與之并聯的任何”漂移”,可能會發生非晶體控制的振蕩.為了將晶體拉回到fr,可以通過串聯電容CL來消除Leq,如圖(2)所示.)上面.在這種情況下,必須認識到,由于晶體還是電阻性的,C1不是晶體負載電容.
相轉化
以上電路顯示了產生進一步相位反轉所需的反饋網絡.對于弧度的相移,網絡的要求是兩個串聯電抗的總和(不必相等)可以抵消第三個電抗.當兩個臂共振時會發生這種情況.圖(1)表示被稱為Pierce振蕩器的結構及其關系,即Colpitts和Clapp.圖(2.)代表Hartley和Miller.
由于已經對平行諧振晶體進行了校準,以在其顯著頻率下提供感抗,因此可以代替上述正感之一.只要出現在諧振器上的總電容(包括由于放大器和雜散引起的總電容)等于其振蕩產生的負載電容,電路就將在頻率上工作.電容器之一可以是微調器,以實現微調.與同相配置相比,該放大器可能是更完美的放大器,因為僅需使用一個有源級.
阻抗反相振蕩器
上面的電路(1.)的一種變體是阻抗反相振蕩器.使用Pierce或Colpitts電路,而不是讓晶體抵消振蕩器的電抗,應在晶體上串聯一個電感.這種布置通常用于使用泛音晶體的振蕩器中,以提供選擇性,從而降低不必要模式的可能性,并且還允許使用串聯校準的晶體.(在非常高的頻率下這是強制性的.)但是請注意,振蕩不會通過晶體C0發生.如果將晶體拉高至fr,則可能發生這種情況.
巴特勒振蕩器
巴特勒振蕩器的維持放大器由一個調出的同相接地基極級和一個射極跟隨器組成,后者也是同相的.暫時用低阻值的電阻代替晶體將引起振蕩,該振蕩由接地基極的集電極中的LC儲罐控制.如果電容器CC只是一個隔直電容器,并且自由運行頻率與晶體fr一致,則振蕩將被控制在fr附近.與在晶體阻抗計中一樣,對于并聯校準的晶體,CC可以等于晶體負載電容.
巴特勒振蕩器的用途
作為調諧振蕩器,巴特勒可用于高達100MHz的泛音晶體工作.但是,由于振蕩可能會通過晶體C0發生,因此建議使用一個較小的并聯電感器來消除這種振蕩.如果在振蕩電路的振蕩電路中放一個低阻抗抽頭,則可以省去發射極跟隨器.電路隨后變為接地振蕩器.要使用基本模式晶體工作,可以用一個電阻器代替LC儲罐.
皮爾斯和科爾皮特振蕩器
Pierce和Colpitts振蕩器的電路布置相似.電容器Ca和Cb與來自反饋網絡的晶體一起分別連接在相同的晶體管電極之間.兩個振蕩器的設計方程式相同,只是在哪個晶體管電極接地方面有所不同.
皮爾斯振蕩器的優點是晶體管偏置電阻鏈僅使Ca分流.在Colpitts中,Ca和Cb串聯分流,其總電抗比單獨的Ca大.當您更有效地分流晶體EPR時,這會對電路Q產生更大的影響.對于相同的振蕩幅度,將需要更高的晶體管電流,并且短期穩定性會受到更大的影響.可以使用FET來克服此問題,但是FET的溫度穩定性不高,并且需要比雙極型器件更高的工作電流.
兩個電容器Ca或Cb之一可以用微調器代替,但是由于它們的串聯組合可能高于晶體負載電容的正常值,因此更常見的是將微調器與晶體串聯.Pierce和Colpitts振蕩器的優勢在于,由于Ca和Cb與晶體管動態電容并聯,因此,它們越大,沼澤效應越大,振蕩器的穩定性也越好.
增益和驅動水平
為確保在錯誤的晶振模式下不受寄生或振蕩的影響,建議確保環路增益恰好足以確保在最壞情況下的令人滿意的工作.晶體在其活動極限時的振蕩所需的增益裕度極限只有2到3倍就足夠了.
驅動等級
低頻晶體,尤其是微型晶體,很容易因過度驅動而損壞,如果VHF晶體未在校準時的驅動電平的至少一個數量級內運行,則它們可能會出現明顯的頻移.如果需要高度的穩定性,建議不要超過制造商建議的最大驅動器級別.精確的頻率標準通常會在一個1毫瓦以下的頻率下運行高頻晶體,通過AGC電路而不是有源器件本身的限制作用將其保持在該水平.
如果可能的話,在考慮下一級需求之前,應對電路的穩定性,增益和驅動電平進行優化.只要考慮阻抗水平,就可以從電路的各個部分提取信號.振蕩器電路的過大負載將影響穩定性和增益裕度.
150kHz以下的實用電路
構成同相放大器的兩個接地發射極晶體管提供了必要的增益,以保證在這些頻率下晶體的低活動性時產生振蕩.L1和C2振蕩電路應進行調整以實現最大輸出,從而提供一定的選擇性并防止在錯誤的石英晶振模式下產生振蕩.二極管D1和D2將晶體驅動器限制在標準晶體的安全水平.為了進行精細的頻率調整,Cc可以是微調器,其中間值應近似等于平行校準晶體的負載電容.
構成同相放大器的兩個接地發射極晶體管提供了必要的增益,以保證在這些頻率下晶體的低活動性時產生振蕩.L1和C2振蕩電路應進行調整以實現最大輸出,從而提供一定的選擇性并防止在錯誤的晶振模式下產生振蕩.二極管D1和D2將晶體驅動器限制在標準晶體的安全水平.為了進行精細的頻率調整,Cc可以是微調器,其中間值應近似等于平行校準晶體的負載電容.
歐美品牌EUROQUARTZ振蕩器電路技術特別篇
去年金洛鑫電子官網上線了許多新品牌,主要都是來自歐洲,美國,日本和韓國等地,Euroquartz晶振是知名度比較大的一家歐美晶振品牌,比起其他廠家成立的時間不算很長,但在整個歐美電子市場上,有一定的份量.最大的原因就是EUROQUARTZ公司擁有自己獨特的技術,可以提高產品的質量,并且有效的降低成本,其晶體振蕩器電路技術,在行業里是得到認可的先進.詳情請看以下內容.
如果您是主要從事數字設備工作的工程師,那么這些說明應該使您重新熟悉一些模擬理論.這種處理是非數學的,著重于電路設計的實際方面.各種振蕩器的設計表明,只需稍作試驗就可以輕松修改以滿足您的要求.如果您希望對該主題進行更”深入”的處理,則附錄包含公式和進一步閱讀的列表.
串聯還是并聯?
關于特定電路裝置是否需要并聯或串聯諧振晶體常常會造成混淆.為了澄清這一點,考慮晶體等效電路和晶體制造商校準晶體產品的方法是很有用的.(一些近似公式在附錄中給出.)“串聯”和”平行”晶體之間沒有內在的區別.僅僅是它們在校準頻率下對外部電路的阻抗問題.晶體表現出兩個非常接近的主共振,并且在共振時呈現出電阻性.串聯諧振是低頻,低電阻諧振;并聯或反諧振是高電阻諧振.在實踐中,您始終將振蕩頻率位于兩個共振之間的晶振視為平行共振.
晶體等效電路
在低頻下,晶體運動臂的阻抗極高,并且電流僅由于C0的電抗降低而隨頻率增加而上升.L1與C1諧振時達到頻率fr,電流急劇上升,僅受串聯的RL和晶體運動電阻R1限制.在僅稍高的頻率下,運動臂會表現出增加的凈感抗,該感抗與fa處的C0發生諧振,導致電流降至非常低的值.fr和fa之間的差異取決于fr和C1與C0的比值.在更高的頻率下,不管其他晶體振動模式如何,電流都會恢復到僅由C0引起的電流.
在兩個諧振頻率下,晶體”看起來”像一個電阻,施加的電壓和產生的負載電流同相.實際上,由于等效電路中R1和C0的相對位置,實際情況并非如此.零相頻率與最大和最小傳輸頻率并不完全相同,但是在低于100MHz的頻率下,C0的電抗比R1高,可以認為是這樣.任何石英晶體振蕩器的確切頻率都取決于其內電壓和電流的相對相位,而不僅僅是印在晶體罐上的頻率.為了在所需頻率下發生振蕩,必須在該頻率上存在正反饋或零環路相移.
網絡轉型
大多數晶體振蕩器的設計目的是使晶體在電阻呈fr的fr或fr與fa之間的頻率工作;讓我們稱此頻率為fL,在該頻率下晶體呈現感應性.在這種情況下,連續的網絡轉換(請參見上一頁的電路)使您可以將晶振電路減少到只有兩個分量:凈電感和等效等效并聯或串聯電阻.
晶體校準
為了使我們作為晶體制造商能夠正確地校準晶體,我們需要知道您的電路在fr和fa之間的哪個點會使晶體振蕩.如果您的頻率為fr,則相關性沒有問題;我們只需調整晶體,使最接近最大傳輸頻率的零相移頻率在指定的容差范圍內.對于晶體必須具有感性的振蕩器,我們需要知道振蕩器電路將向晶體提供什么樣的有效負載電容.在這種情況下,步驟相同,只是晶體和該值電容器的串聯組合單獨代替了晶體.所有這種類型的實用振蕩器電路,即使只”雜散”,也會增加晶體電容,出于多種原因,建議將其提高到18pF,20pF或30pF的工業標準值之一.
晶體阻抗儀
相位零測量系統
IEC已采用了零位相位測量系統(PZMS).在該系統中,晶體被制成低阻抗pi網絡衰減器的串聯臂,其輸入由頻率合成器驅動,而輸出則被電阻端接.pi網絡的每一端都連接到矢量電壓表的探針,該電壓表的AFC輸出控制合成器的頻率,以便如果晶體具有串聯的負載電容器,則系統會自動鎖定到晶體fr或fL.計算網絡損耗的等效電阻.PZMS具有很高的準確性和可重復性,并在晶體制造中提供了其他重要優勢.
振蕩條件振蕩器相移
任何振蕩器,無論是RC,LC還是晶體控制振蕩器,都需要滿足兩個條件才能以所需的頻率工作.在該頻率下,其環路增益必須大于1,并且環路相移必須為零(2n弧度,其中n=0或一個整數).
實際上,振蕩器可以分為兩組:
1.)同相維持放大器.
反饋網絡必須在工作頻率上提供零相移.
2.)反相維護放大器.
反饋網絡必須提供π弧度.
放大器反饋網絡
由于晶體在其串聯諧振頻率fr處顯示出零相移,因此它本身就可以充當反饋組件.(上面的1.).只要放大器具有足夠的增益來克服由于其輸入和輸出電阻以及晶體R1充當分壓器而引起的損耗,電路就會在fr處振蕩.如果將與校準晶體的負載電容相等的電容器與晶體串聯放置,則也可以使電路在負載或并聯諧振頻率下振蕩.如果是微調器,則額外的電容器可提供一種方便的方式來調節有源晶振頻率,并可用于調整晶體校準容差.但是,由于晶振的ESR略高于R1(取決于CL和C0),因此需要更多的放大器增益.
實際上,不存在沒有多余相移的”完美放大器”.某些同相放大器,特別是微處理器時鐘和采用級聯邏輯電路的放大器,在工作頻率下可能會出現明顯的滯后相移.更糟糕的是,在某些電路中,由于這些放大器中存在許多非線性有源級,因此在整個工作周期中,滯后不是恒定的.結果是差的短期穩定性或抖動.
振蕩器相移
相轉化
由于已經對平行諧振晶體進行了校準,以在其顯著頻率下提供感抗,因此可以代替上述正感之一.只要出現在諧振器上的總電容(包括由于放大器和雜散引起的總電容)等于其振蕩產生的負載電容,電路就將在頻率上工作.電容器之一可以是微調器,以實現微調.與同相配置相比,該放大器可能是更完美的放大器,因為僅需使用一個有源級.
阻抗反相振蕩器
上面的電路(1.)的一種變體是阻抗反相振蕩器.使用Pierce或Colpitts電路,而不是讓晶體抵消振蕩器的電抗,應在晶體上串聯一個電感.這種布置通常用于使用泛音晶體的振蕩器中,以提供選擇性,從而降低不必要模式的可能性,并且還允許使用串聯校準的晶體.(在非常高的頻率下這是強制性的.)但是請注意,振蕩不會通過晶體C0發生.如果將晶體拉高至fr,則可能發生這種情況.
典型的振蕩器電路
巴特勒振蕩器的維持放大器由一個調出的同相接地基極級和一個射極跟隨器組成,后者也是同相的.暫時用低阻值的電阻代替晶體將引起振蕩,該振蕩由接地基極的集電極中的LC儲罐控制.如果電容器CC只是一個隔直電容器,并且自由運行頻率與晶體fr一致,則振蕩將被控制在fr附近.與在晶體阻抗計中一樣,對于并聯校準的晶體,CC可以等于晶體負載電容.
巴特勒振蕩器的用途
作為調諧振蕩器,巴特勒可用于高達100MHz的泛音晶體工作.但是,由于振蕩可能會通過晶體C0發生,因此建議使用一個較小的并聯電感器來消除這種振蕩.如果在振蕩電路的振蕩電路中放一個低阻抗抽頭,則可以省去發射極跟隨器.電路隨后變為接地振蕩器.要使用基本模式晶體工作,可以用一個電阻器代替LC儲罐.
Pierce和Colpitts振蕩器的電路布置相似.電容器Ca和Cb與來自反饋網絡的晶體一起分別連接在相同的晶體管電極之間.兩個振蕩器的設計方程式相同,只是在哪個晶體管電極接地方面有所不同.
皮爾斯振蕩器的優點是晶體管偏置電阻鏈僅使Ca分流.在Colpitts中,Ca和Cb串聯分流,其總電抗比單獨的Ca大.當您更有效地分流晶體EPR時,這會對電路Q產生更大的影響.對于相同的振蕩幅度,將需要更高的晶體管電流,并且短期穩定性會受到更大的影響.可以使用FET來克服此問題,但是FET的溫度穩定性不高,并且需要比雙極型器件更高的工作電流.
兩個電容器Ca或Cb之一可以用微調器代替,但是由于它們的串聯組合可能高于晶體負載電容的正常值,因此更常見的是將微調器與晶體串聯.Pierce和Colpitts振蕩器的優勢在于,由于Ca和Cb與晶體管動態電容并聯,因此,它們越大,沼澤效應越大,振蕩器的穩定性也越好.
增益和驅動水平
為確保在錯誤的晶振模式下不受寄生或振蕩的影響,建議確保環路增益恰好足以確保在最壞情況下的令人滿意的工作.晶體在其活動極限時的振蕩所需的增益裕度極限只有2到3倍就足夠了.
驅動等級
低頻晶體,尤其是微型晶體,很容易因過度驅動而損壞,如果VHF晶體未在校準時的驅動電平的至少一個數量級內運行,則它們可能會出現明顯的頻移.如果需要高度的穩定性,建議不要超過制造商建議的最大驅動器級別.精確的頻率標準通常會在一個1毫瓦以下的頻率下運行高頻晶體,通過AGC電路而不是有源器件本身的限制作用將其保持在該水平.
如果可能的話,在考慮下一級需求之前,應對電路的穩定性,增益和驅動電平進行優化.只要考慮阻抗水平,就可以從電路的各個部分提取信號.振蕩器電路的過大負載將影響穩定性和增益裕度.
150kHz以下的實用電路
構成同相放大器的兩個接地發射極晶體管提供了必要的增益,以保證在這些頻率下晶體的低活動性時產生振蕩.L1和C2振蕩電路應進行調整以實現最大輸出,從而提供一定的選擇性并防止在錯誤的石英晶振模式下產生振蕩.二極管D1和D2將晶體驅動器限制在標準晶體的安全水平.為了進行精細的頻率調整,Cc可以是微調器,其中間值應近似等于平行校準晶體的負載電容.
歐美品牌EUROQUARTZ振蕩器電路技術特別篇
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