Oscillator操作理論
來源：http://www.benpai.com.cn 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用到Oscillator。同時也促進了OSC，TCXO，VCXO，OCXO，LVDS，LV-PECL等系列技術(shù)進步，為了應對未來高要求，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。
振蕩器是現(xiàn)代數(shù)字IC的主要組成部分之一。根據(jù)其拓撲和操作原理，它們可以分為不同的子系列。每個振蕩器子系列對應一個更合適的數(shù)學模型，可用于研究振蕩器行為并在理論上確定其性能。
負阻振蕩器原理：
振蕩回路由兩個分支組成（見圖4）：
•振蕩回路的有效分支，由OSC晶振本身組成。該分支負責在啟動時提供足夠的能量以使振蕩開始并積累直至其達到穩(wěn)定的振蕩階段。當達到穩(wěn)定振蕩時，振蕩器支路提供足夠的能量來補償振蕩環(huán)路無源支路損耗。
•無源分支主要由諧振器，兩個負載電容和所有寄生電容組成。
遵循小信號理論并且當有源分支（振蕩器部分）被正確偏置時，后者應使其跨導等于無源分支電導，以便在振蕩器偏置電壓周圍保持穩(wěn)定的振蕩。然而，在啟動時，振蕩器跨導應該高于振蕩回路的無源部分的電導的（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)路無源支路電導相比，振蕩器跨導過大也可能使振蕩環(huán)路飽和并導致啟動失敗。
為了確保有源晶振成功啟動并保持穩(wěn)定振蕩的能力，規(guī)定了振蕩回路的負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主要子系列：
•負阻振蕩器
•正反饋振蕩器
這兩個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子族的不同數(shù)學模型。
正反饋振蕩器通常使用著名的巴克豪森模型建模，其中振蕩器應滿足巴克豪森標準，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阻振蕩器。然而，這種方法還不夠。分析負阻振蕩器的最合適方法是使用E.Vittoz的論文（[1]）中描述的負阻模型。
由于STM32低速外部（LSE）晶體振蕩器和高速外部（HSE）振蕩器均采用負阻原理設(shè)計，因此本節(jié)重點介紹負阻模型。
負阻力：
從理論上講，石英晶體振蕩器負電阻是偶極子，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（恰好是電阻的相反機制）。實際上，這樣的偶極子不存在。事實上，術(shù)語“負電阻”是“負電阻”的誤稱，它由給定電壓變化（ΔV）除以感應電流變化（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的。圖3給出了偶極子的電流-電壓曲線，顯示了負的跨阻區(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曲線部分顯示負反轉(zhuǎn)：
而藍色曲線的部分顯示正反轉(zhuǎn)：
跨導：
與被定義為電阻的倒數(shù)的電導一樣，跨導也被定義為跨電阻的倒數(shù)。跨導也可以定義為由下式表示的微分電導：
本文章僅涉及諧波振蕩器（弛張振蕩器不在本應用筆記的范圍內(nèi)），特別關(guān)注穿孔振蕩器拓撲。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，負載電容等）的振蕩器都是前面提到的類型和拓撲結(jié)構(gòu)。
弄清楚Oscillator的工作原理會方便工程們更好的利用，我們生活在一個高科技，高創(chuàng)新的新時代，振蕩器是科技發(fā)展中不能缺少的助力，振蕩器的時鐘頻率振蕩功能，在通電后可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而帶動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，只是每年會損耗一點。
振蕩器是現(xiàn)代數(shù)字IC的主要組成部分之一。根據(jù)其拓撲和操作原理，它們可以分為不同的子系列。每個振蕩器子系列對應一個更合適的數(shù)學模型，可用于研究振蕩器行為并在理論上確定其性能。
負阻振蕩器原理：
振蕩回路由兩個分支組成（見圖4）：
•振蕩回路的有效分支，由OSC晶振本身組成。該分支負責在啟動時提供足夠的能量以使振蕩開始并積累直至其達到穩(wěn)定的振蕩階段。當達到穩(wěn)定振蕩時，振蕩器支路提供足夠的能量來補償振蕩環(huán)路無源支路損耗。
•無源分支主要由諧振器，兩個負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
為了確保有源晶振成功啟動并保持穩(wěn)定振蕩的能力，規(guī)定了振蕩回路的負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主要子系列：
•負阻振蕩器
•正反饋振蕩器
這兩個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子族的不同數(shù)學模型。
正反饋振蕩器通常使用著名的巴克豪森模型建模，其中振蕩器應滿足巴克豪森標準，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阻振蕩器。然而，這種方法還不夠。分析負阻振蕩器的最合適方法是使用E.Vittoz的論文（[1]）中描述的負阻模型。
由于STM32低速外部（LSE）晶體振蕩器和高速外部（HSE）振蕩器均采用負阻原理設(shè)計，因此本節(jié)重點介紹負阻模型。
負阻力：
從理論上講，石英晶體振蕩器負電阻是偶極子，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（恰好是電阻的相反機制）。實際上，這樣的偶極子不存在。事實上，術(shù)語“負電阻”是“負電阻”的誤稱，它由給定電壓變化（ΔV）除以感應電流變化（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的。圖3給出了偶極子的電流-電壓曲線，顯示了負的跨阻區(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曲線部分顯示負反轉(zhuǎn)：
而藍色曲線的部分顯示正反轉(zhuǎn)：
圖3.偶極子的I-V曲線顯示負的跨阻區(qū)域（紫色）
與被定義為電阻的倒數(shù)的電導一樣，跨導也被定義為跨電阻的倒數(shù)。跨導也可以定義為由下式表示的微分電導：
本文章僅涉及諧波振蕩器（弛張振蕩器不在本應用筆記的范圍內(nèi)），特別關(guān)注穿孔振蕩器拓撲。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，負載電容等）的振蕩器都是前面提到的類型和拓撲結(jié)構(gòu)。
弄清楚Oscillator的工作原理會方便工程們更好的利用，我們生活在一個高科技，高創(chuàng)新的新時代，振蕩器是科技發(fā)展中不能缺少的助力，振蕩器的時鐘頻率振蕩功能，在通電后可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而帶動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，只是每年會損耗一點。
正在載入評論數(shù)據(jù)...
相關(guān)資訊
- [2025-08-29]CTS致力于成為技術(shù)的前沿提供創(chuàng)...
- [2025-08-29]Diodes宣布推出一款智能48通道L...
- [2025-08-25]Rakon瑞康為什么應該放棄標準CO...
- [2025-08-25]Transko特蘭斯科推出了結(jié)合MEMS...
- [2025-08-23]SiT5503超精密溫度補償晶體振蕩...
- [2025-08-23]探索SiTime專為導航航空航天和國...
- [2024-04-11]CTECH濾波器型號數(shù)據(jù)列表CLB75P...
- [2024-03-18]Statek晶振產(chǎn)品應用CX20SCSM1-1...
業(yè)務(wù)經(jīng)理
客服經(jīng)理
