【经验】解析有源晶振电路设计的七个关键考虑因素

时间： 2022-10-25 来源：晶科鑫官网

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如何才能设计一个高效的有源晶振电路图，首先要了解什么是有源晶振电路？这个是属于有源晶振的基础知识。有源晶振电路由一个放大器和一个反馈网络组成。反馈网络从放大器获得特定的输出，并将其送回放大器的输入。它在画出来的时候看起来相当简单（如下图所示，Amplifier：放大器，Feedback Network：反馈网络）。

图 1

但越往深处走，就越复杂。晶体振荡器电路要有效运行，必须满足2个关键条件：

●环路功率增益必须等于齐音

●环路相移必须相当于0、2Pi、4Pi等弧度。

引导回放大器输入的功率必须足以供应放大器输入、振荡器产量，并克服电路损耗。振荡器的精确频率是由振荡器电路内的环路相移决定的。相移的任何变化都会导致频率的变化。减少净相移的最佳方法之一是在反馈回路中使用石英晶体。当石英晶体被用于振荡器的反馈回路时，振荡器的频率输出实际上是自我调节的。石英晶体创造了一个满足相位环路要求的电抗。

晶体振荡器电路设计的7个关键考虑因素

●串联电路

串联电路晶体振荡器使用被设计为在其自然谐振频率下工作的晶体。这种类型的电路在反馈回路中不需要电容。串联谐振振荡器电路是相当基本的，由于其元件数量少，通常被使用。

串联电路可以提供除通过晶体以外的反馈路径。这意味着电路可以继续以主观的频率振荡......甚至在晶体失效期间也是如此。

串联电路的一个显著缺点是，如果系统需要修改，你不能调整输出频率。串联谐振晶体是按照首选的频率、容差和稳定性设计的，并且不需要选择调整就能保持。

●负载电容

负载电容在振荡器电路设计中可以发挥关键作用。你会在下一个设计考虑中看到一个关于负载电容重要性的例子，但现在，让我们仔细看看负载电容本身。

负载电容被描述为在电路中的晶体终端上测量或计算的电容量。

说到串联电路，晶体电路的连接点之间没有电容。因此，电路中没有负载电容。对于并联电路来说，情况就不同了。

要确定并联电路中的负载电容，使用这个方便的方程式。

在这个方程中，LC1和LC2代表负载电容。Cs是电路的流浪电容（通常在3到5pF之间）。

●并联电路

并联谐振电路是用一个晶体来设计的，这个晶体被设计成在特定的负载电容下工作。这导致晶体振荡器的工作频率高于串联谐振频率，但低于真正的并联谐振频率。

为了完成这种类型的电路的反馈回路，你必须设计通过晶体的路线。如果晶体失效，电路将不再振荡。

那么，决定振荡器频率的“负载电容”从何而来？这个电路实际上使用了一个单独的变频器，在反馈回路中有两个电容，包括了负载电容。如果负载电容改变，振荡器产生的频率也会改变。

说到这里，需要注意的是，如果需要调整的话，这种电路类型并不适合于轻松调整频率。另外，需要精确的频率控制和精确的负载电容规格。

例如，如果一个容量为20pF的20MHz晶体被放置在一个评估为30pF的电路中，那么晶体将低于规定值。然而，如果该电路的评估值只有10pF，那么频率将高于规定值。

●驱动功率

驱动电平是指晶体在工作时消耗的功率大小。功率通常以毫瓦或微瓦来描述。

石英晶体被指定为一个特定的最大驱动电平值，可以影响振荡器的频率和操作模式。与你的晶体振荡器供应商合作，确定石英振荡器可以承受的最大驱动水平是很重要的。

那么，如果晶体振荡器超过了最大驱动水平会发生什么？它可能导致振荡器

●变得不稳定

●加快老化率

●导致关键应用中的通信或计时损失

要计算晶体的驱动电平，请使用这个公式（基本上只是欧姆定律，但对功率而言）：Drive Level=（Irms2xR），式种：Irms=通过石英晶体的测量均方根电流；R=石英晶体的最大电阻；

为了测量晶体振荡器电路的实际驱动电平，你可以在晶体电路中插入一个电阻。然后可以读取电阻上的压降来计算电流和功率耗散。当然，要确保在这次测量后将电阻移走。

●频率和模式

晶体振荡器的频率可能受到物理尺寸的限制。有时，这可能是某些应用的长度和宽度。其他时候，它可能是石英晶体本身的厚度。石英晶圆越薄，频率就越高。石英晶圆的厚度通常在30MHz左右会变得太薄，无法处理。

如果需要一个频率高于极限频率的振荡器，可以利用“基频”。基频是“由一个物体的整体振荡产生的最低频率，与更高频率的谐波不同”。如果一个晶体的基本频率是10兆赫，它也可以以3、5、7等倍的基本频率进行振荡。因此，振荡器可以在30MHz、50MHz、70MHz等频率下振荡。这些都是该频率的泛音。

当需要使用泛音频率时，晶体制造商必须将晶体设计成在所需的泛音频率下工作。千万不要试图订购一个基频模式的晶体，然后用另一个所需的泛音来操作，因为基频晶体和泛音晶体的制造工艺是不同的。

●设计考虑因素

为了实现最佳的振荡器电路操作，应该遵循一些设计上的考虑。有一点一直被推荐的是，在电路中应避免使用平行线。这样做可以减少杂散电容。所有线路应尽可能地短，以防止耦合。通过使用地平面来保持元件的隔离，也可以对此有所帮助。

●负电阻

振荡器的设计必须加强“负电阻”以获得最佳性能。负电阻也经常被称为“振荡津贴”。

这里有6个简单的步骤来帮助你计算振荡器电路中的负电阻

●暂时将一个可变电阻器与晶体串联起来

●将电阻调到最低设置（接近零欧姆）

●给振荡器通电，在示波器上监测输出

●当你持续监测示波器信号时，开始使用可变电阻增加电路中的电阻

●一旦振荡停止，记下可变电阻以确定欧姆值

●将晶体的最大电阻值（由供应商指定）与步骤5中测量的欧姆值相加

这个计算出来的总值就是“负电阻”或“振荡余量”。作为一般的经验法则，负电阻应至少是晶体规定的最大电阻值的5倍才可靠。

以上就是晶科鑫在有源晶振电路上设计上的一个建议，希望大家在设计振荡器电路上少走弯路，能够更快的完成晶振产品电路上的设计与产品相匹配。

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龙营半导体（LFC SEMICONDUCTOR）有源晶振/时钟芯片/低EMI IC/低EMI/展频晶振选型表

目录- LFC型号表

型号- LO203A-24M-50-A,LO204A-25M-100-B,LO201A-27M-20-C,LO204A-27M-100-C,LO613A-25M-50-C,LO212A-24M-20-C,LO215A-27M-50-B,LO214A-24M-50-A,LO212E-24M-20-C,LX606I-68.93M-A,LX606I-68.93M-C,LO201E-27M-50-C,LO203A-27M-50-A,LO212A-25M-20-C,LO625P-100M-50-C-4-S,LX606I-100M-A,LO203A-27M-50-C,LX304A,LX308E,LX606I-100M-C,LO204E-27M-50-C,LX308I,LX504I,LO201I-25M-20-C,LO221I-25M-50-A,LX304I,LO203A-24M-50-C,LO208A-27M-50-C,LO201I-24M-20-C,LO203A-25M-50-A,LO214A-27M-50-A,LO203A-25M-50-C,LO206A-24M-50-C,LO212E-25M-20-C,LO201E-27M-20-C,LO206A-24M-50-A,LO201I-27M-20-C,LX606I-54M-A,LO206A-25M-50-A,LX606I-54M-C,LO206A-25M-50-C,LO221I-24M-50-A,LO206A-27M-50-C,LO206A-27M-50-A,LC464A

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