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提供的一些振荡器

双T振荡器是另一种类型的RC振荡器,它产生正弦波输出,用于类似于电桥桥振荡器的固定频率应用。双T型振荡器在反相放大器的输出和输入之间的反馈回路(因此得名)中使用两个“Tee”形 RC 网络。

提供的一些振荡器

晶体振荡器是一种常用的频率信号源,能够提供高精确度和高稳定度的输出信号,可广泛应用于精密电子设备、无线通信和雷达等领域。然而随着现代电子技术的不断发展,晶体振荡器的相位噪声往往会成为限制系统性能提高的主要因素。因此本文从实际需要出发,并结合计算机辅助设计手段来完成高稳低相位噪声振荡器的设计。 实际中我们常常希望能够通过计算机仿真的方式来预测振荡器的相位噪声指标,以便为实用振荡电路设计提供指导。本文首先介绍了晶体振荡器的工作原理和常用的一些振荡电路结构,随后从Leeson经验数学模型出发,分析了高Q晶体振荡器相位噪声的特性及其在电路中的形成规律,并结合仿真和实际相位噪声结果的差异,深入研究了影响振荡器相位噪声的晶体管闪变噪声器件参数A f、K f及其提取方法。最后以100MHz巴特勒共基串联低噪声振荡器电路设计为例,采用Agilent ADS(先进设计系统)进行谐波平衡仿真得出电路的相位噪声曲线图,并利用提取到的噪声参数将其优化,经过反复设计得到相位噪声指标较好的实用振荡电路。根据仿真结果做出实际的电路,通过Agilent E5052B相位噪声测量系统得到实测的相位噪声曲线。最终的测试结果显示该振荡器的输出噪声水平达到-124.0dBc/[email protected],-153.4dBc/[email protected],满足低噪声设计的要求。经过比较仿真和实测结果,可以看出,考虑了器件参数影响的相位噪声仿真曲线更好的符合了Leeson噪声模型。

晶体振荡器选择考量

Eagle115 已于 2022-04-12 12:26:43 修改 346 收藏 2

什么是振荡器?
振荡器是一种产生重复或周期性时变信号的电子电路。在无线 SoC设备的中,振荡器信号用于为设备中指令和外围设备的执行提供时钟。对于无线电通信,振荡器还为无线电收发器(transceiver)提供准确且低噪声的频率参考。有多种方法可以生成这样的信号,每种方法都有不同的属性,会影响项目成本、电路板尺寸和时钟信号的稳定性。振荡器主要可以分成两种:谐波振荡器(harmonic oscillator)与弛张振荡器(relaxation oscillator)。

振荡器分类:
RC 振荡器
RC 振荡器由电阻器、电容器和反相放大器构成。与晶体振荡器相比,它们成本低且启动时间短,但通常精度较低且产生更多噪声。

晶体振荡器
晶体振荡器利用晶体的机械振动来产生时钟信号。 归功于晶体物质的分子组成和晶体切割的角度,这种类型的振荡器在很宽的温度范围内非常精确和稳定。 最常用的晶体是石英晶体。 生产石英晶体需要几周内非常稳定的温度和压力条件。 这使得晶体振荡器比 RC 振荡器更昂贵。(晶振分无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振也叫谐振器,英文为crystal,有源晶振又叫振荡器,英文oscillator。一般的单片机使用的是无源晶振)

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振荡器的基本原理:
振荡器是一个满足巴克豪森条件(Barkhausen condition)的正反馈回路:如果闭环增益大于整体并且总相位滞后为 360°,则生成的闭环系统不稳定并会自我强化。这是出现振荡的必要条件,但不是充分条件。当满足必要条件时,振荡器中的任何干扰(噪声)都会导致振荡开始。因为满足巴克豪森条件的频率与原始信号同相,所以它被放大得最多。

启动时间:
闭环增益的大小对启动时间有很大影响。 增益低会导致启动时间过长或失败,增益过高会导致启动完全失败。 理想增益取决于振荡器电路的负电阻。
出于同样的原因,振荡频率会影响启动时间。 kHz范围内的晶体的启动时间将比MHz范围的晶体长得多,因为传递循环所需的时间更长。 芯科无线Gecko 2系列芯片的典型启动时间:低频振荡器为 63 ms,高频振荡器为 159 μs。

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晶体的电路模型:
晶体振荡器可以用下面的理想电路模型来描述

  • CS 是运动电容。 它表示从晶体中的位移中获得的压电电荷。
  • RS 是运动电阻。 它代表晶体中的机械损耗。
  • LS 是运动电感。 它代表晶体中的移动质量。
  • C0 是电极之间的静态电容和来自外壳的杂散电容。

晶体振荡器的参数:

晶振的工作温度(Operating Temperature Range)

晶振的综合公差(Combined tolerance for the crystal):
即晶振的精度值,一般使用PPM表示。其精度的选择一般要参考频率需求器件对精度的要求。综合公差=初始公差(Initial tolerances) + 温度公差(Temperature tolerance) + 年化公差(Aging tolerances)

晶振的等效串联阻抗(Equivalent Series Resistance (ESR)):
这个参数主要是与驱动能力有关系,也就是说跟驱动电流有关系。等效电阻小则需要的驱动电流就小。对外部驱动电路的适应能力就越高。

晶振的匹配负载电容(Load capacitance):
通过改变匹配电容的参数值,可以改变晶振的核心频率,也就是说可以通过调整晶振的匹配电容来对精度做微调。这也是目前国内做高精度温补晶振的主要办法。

静态电容(Shunt Capacitance):
晶振两个管脚之间的寄生电容,在晶振的规格书上可以找到具体值,一般0.2pF~8pF不等。

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晶体规格书参考:

术语解释:

压电效应(Piezoelectricity)
石英晶体具有直接压电特性。 这意味着施加的电场会导致晶体变形。 相反,晶体的变形会在端子上产生电压。 一旦振荡器启动,振动晶体端子上的变化电压被用作时钟信号。

闭环增益(closed-loop gain):
运放在无反馈时的增益是开环增益,在考虑反馈时候的增益为闭环增益,环路增益是在主输入为0的情况下,反馈网络和放大电路所具有的增益。

寄生电容(parasitic capacitance):
也称为杂散电容,是电路中电子元件之间或电路模块之间,由于相互靠近所形成的电容,寄生电容是寄生元件,是不可避免的,同时经常是设计时不希望得到的电容特性。寄生电容常常也会造成杂散振荡。

机械应力(mechanical stress):
是指物体由于外因(提供的一些振荡器 受力、湿度变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,以抵抗这种外因的作用,并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。

双T型振荡器主要特点和工作原理介绍

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双T振荡器是另一种类型的RC振荡器,它产生正弦波输出,用于类似于电桥桥振荡器的固定频率应用。双T型振荡器在反相放大器的输出和输入之间的反馈回路(因此得名)中使用两个“Tee”形 RC 网络。

正如我们所见,振荡器基本上是一个具有正反馈的放大器,它具有维持振荡所需的固定电压增益量,双T振荡器也不例外。反馈由双T配置的RC网络提供,允许将一些输出信号反馈到放大器的输入端。因此,双T RC网络提供 180度相移,放大器提供另一个180度相移。这两个条件总共产生360度的相移,允许持续振荡。

与将反馈电阻器和电容器配置成梯形网络的典型RC 相移振荡器,或在桥式配置中使用电阻器和电容器的标准Wien 桥振荡器不同,双 T 振荡器(有时称为并联T 振荡器) 使用无源电阻 - 电容 (RC) 网络,其中两个互连的“T”部分(其 R 和 C 元件以相反的形式)并联在一起,如图所示。

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很明显,我们可以看到其中一个 RC 无源网络具有低通响应,而另一个具有高通响应,我们之前在有关陷波滤波器的教程中已经看到了这种 RC 网络布置。这次的不同之处在于,我们使用组合的并行 RC T 配置网络来产生一个陷波型响应,其中心频率ƒ c等于所需的振荡零频率。

结果是,由于通过双 T 网络创建的负反馈路径,振荡不会发生在高于或低于调谐陷波频率的频率上。然而,在调谐频率下,任何负反馈都变得可以忽略不计,因此允许由放大设备创建的正反馈路径主导在一个单一频率下创建振荡(不像可以在大频率范围内调整的维恩桥振荡器)。

然后双 T 振荡器的频率选择性双 T 网络产生一个输出传递函数,其中陷波的频率、深度和相移由所使用的组件值决定。因此,构成 RC 网络的各个双 T 网络由以下等式定义:

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将这两组方程组合在一起将为我们提供最终方程,即陷波的零点或中心频率导致双 T 网络的振荡。

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ƒ C 是以赫兹为单位的振荡频率
R 是欧姆的反馈电阻
C 是以法拉为单位的反馈电容
π 是一个常数,其值约为3.142

确定了振荡器的双 T 网络,它产生了所需的 180 o相移,这发生在 -90 o到 +90 o之间的零频率处(与 Wien 桥振荡器的零到 180 o相对) ,我们需要一个放大器电路来提供电压增益。Twin-T 振荡器电路最好通过将 RC 反馈网络与运算放大器相结合来实现,因为与晶体管相比,运算放大器具有高输入阻抗特性,因此与这种类型的振荡器一起工作的效果更好。
双T放大
标准运算放大器可以提供高电压增益、高输入阻抗以及低输出阻抗,因此是双 T 型振荡器的优秀放大器。在振荡频率下,f c反馈增益几乎降至零,因此我们需要一个电压增益远大于 1(单位)的放大器。

振荡所需的正反馈由反馈电阻器 R 1提供,而电阻器 R 2确保启动。作为一般经验法则,为确保电路尽可能接近所需频率振荡,这两个电阻的比率需要大于一百 (>100)。

为了在振荡频率下获得所需的正增益,我们可以使用同相放大器配置,其中一小部分输出电压信号 通过合适的分压器网络直接施加到同相 ( + ) 输入端。双T振荡器电路产生的负反馈连接到反相( - )输入端。如图所示,这种闭环配置产生了一个具有非常好的稳定性、非常高的输入阻抗和低输出阻抗的同相振荡器电路。

双T振荡器电路

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然后我们可以看到,双 T 振荡器通过分压器网络接收其对同相输入的正反馈,并通过双 T RC 网络接收其负反馈。为确保电路以所需的单一频率振荡,“Tee-leg”电阻器 R/2 可以是可调节的微调电位器,但也可以调整以补偿电容器容差,从而使电路在启动时振荡。

Twin-T 振荡器示例 No1
需要双 T 型振荡器电路来产生 1kHz 正弦输出信号以用于电子电路。如果使用增益比为 200 的运算放大器,请计算频率确定元件 R 和 C 的值以及增益电阻的值。

振荡频率为 1kHz,如果我们为两个反馈电阻选择一个合理的值,R为 10kΩ(记住这两个电阻必须具有相同的值),我们可以使用频率公式计算所需的电容值从上面的振荡。

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因此 R = 10kΩ,C = 16nF。中心 Tee-leg 电容器 2C = 2 x 16nF = 32nF,因此使用最接近的首选值 33nF。

由于高通分支三通电容的值为 33nF,因此不完全等于 2C (2 x 16nF),我们可以针对这种变化进行调整,并通过调整低通分支三通来确保正确启动振荡- 相同数量的电阻。因此,R (leg)的精确值为10kΩ/2 = 5kΩ,但该电阻器的计算值如下: R (leg) = R/(33nF/16nF) = 4.85kΩ。显然,使用 5kΩ 微调电位器将满足我们在本例中的要求。

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运算放大器的环路增益要求为 提供的一些振荡器 200,因此如果我们为 R 2选择 1kΩ 的值,那么电阻器 R 1将为 200kΩ,如图所示。
最终的 Twin-T 振荡器电路

Twin-T 振荡器电路总结
在本教程中看到,使用一些无源元件和运算放大器可以轻松构建双 T 型振荡器电路。双 T 型振荡器电路使用调谐 RC 网络作为反馈电路来产生所需的正弦输出波形。作为两个并联在一起的 提供的一些振荡器 T 型网络,它们彼此反相运行,在零频率下产生零输出,但在所有其他频率下产生有限输出。

因此,由于通过双 T RC 网络的负反馈,电路不会在高于或低于调谐频率的频率下振荡。因此,在零频率下,运算放大器同相输入端的电压与其输出电压同相,从而在所需频率下产生连续振荡。

为确保振荡频率尽可能接近零频率,可在低通级的三通电阻中使用微调电位器,以平衡 提供的一些振荡器 RC 网络的启动和输出波形的纯度,作为其中之一“双T振荡器”的主要缺点是输出波形的振荡频率和质量很大程度上取决于双T网络中电阻器和电容器的相互作用,那么显然这些组件的值和选择必须是准确,以确保在所需的零频率振荡。

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提供的一些振荡器

MCU的振荡器电路

在本文结尾处,有一个简易的晶体及外围器件选型指南,其中为MCU推荐了一些 晶体 型号,可以帮助大家快速上手。

以下是插件型石英晶体谐振器

有源石英晶体振荡器是最少拥有最少4个脚的的产品,四个脚的用途是:一脚悬空,二脚接地,三脚接输出,四脚接电压,电压也有分为以下几种,1.8V-2.5V-3V-3.3V-3.8V-5V等电压,振荡器内部本身除了有加工过的压电石英晶片外,还有有源振荡器IC,以及电阻两颗,电容两颗,有些会有一颗三级稳压管等原件,插件的外观体积比较大,但是随着现在的科技发展,有源晶振体积也从最初的超大体积长20mm,宽11mm,到现在的2.5mm长,宽2.0mm的小尺寸,有源晶振的英文单词简称为(Quartz crystal oscillator)。

1、石英晶体的特性及模型 石英晶体的特性及模型

C 0 :等效电路中与串联臂并接的电容(译注:也叫并电容,静电电容,其值一般仅与 晶体 的尺寸有关)。

L m :(动态等效电感)代表 晶体 机械振动的惯性。

C m :(动态等效电容)代表 晶体 的弹性。

R m :(动态等效电阻)代表电路的损耗。

晶体 的阻抗可表示为以下方程(假设R m 可以忽略不计):

其中F s 的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注:它是L m 、C m 和R m 支路的谐振频率),其表达式如下:

F a 是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率(译注:它是整个等效电路的谐振频率),使用等式

在F s 到F a 的区域即通常所谓的:“并联谐振区”(图2中的阴影部分),在这一区域 晶体 提供的一些振荡器 工作在并联谐振状态(译注:该区域就是 晶体 的正常工作区域,F a -F 提供的一些振荡器 s 就是晶振的带宽。带宽越窄, 晶体 品质因素越高,振荡频率越稳定)。在此区域 晶体 呈电感特性,从而带来了相当于180 °的相移。

其频率F P (或者叫F L :负载频率)表达式如下:

从表达式(4),我们知道可以通过调节负载电容C L 来微调振荡器的频率,这就是为什么 晶体 制造商在其产品说明书中会指定外部负载电容C L 值的原因。通过指定外部负载电容C L 提供的一些振荡器 值,可以使晶体振荡时达到其标称频率。

下表给出了一个例子来说明如何调整外部参数来达到 晶体 电路的8MHz标称频率:

使用表达式(2)、(3)和(4),我们可以计算出该 晶体 的F s 、F a 及F P :

F 提供的一些振荡器 s = 7988768Hz,F a = 8008102Hz

如果该 晶体 的C L 为10pF,则其振荡频率为:F P 提供的一些振荡器 = 7995695Hz。

要使其达到准确的标称振荡频率8MHz,C L 应该为4.02pF。

2、振荡器原理

实际上,在这种条件下的放大器是非常不稳定的,任何干扰进入这种正反馈闭环系统都会使其不稳定并引发振荡启动。干扰可能源于上电,器件禁用/使能的操作以及 晶体 热噪声等. 。同时必须注意到,只有在 晶体 工作频率范围内的噪声才能被放大,这部分相对于噪声的全部能量来说只是一小部分,这也就是为什么晶体振荡器需要相当长的时间才能启动的原因。

3 Pierce 振荡器

4 Pierce 振荡器设计

反馈电阻 反馈电阻R F

在大多数情况下,反馈电阻R F 是内嵌在振荡器电路内的(至少在ST的MCU中是如此)。它的作用是通过引入反馈使反向器的功能等同于放大器。Vin和Vout之间增加的反馈电阻使放大器在Vout= Vin时产生偏置,迫使反向器工作在线性区域(图5中阴影区)。该放大器放大了 晶体 的正常工作区域内的在并联谐振区内的噪声(例如晶振的热噪声)(译注:工作在线性区的反向器等同于一个反向放大器),从而引发 晶体 起振。在某些情况下,如果在起振后去掉反馈电阻R F ,振荡器仍可以继续正常运转。

负载电容 负载电容C L

负载电容C 提供的一些振荡器 L 是指连接到 晶体 上的终端电容。C L 值取决于外部电容器C L1 和C L2 ,刷电路板上的杂

散电容(C s )。C L 值由由 晶体 提供的一些振荡器 制造商给出。保证振荡频率精度,主要取决于振荡电路的负载电容与

给定的电容值相同,保证振荡频率稳定度主要取决于负载电容保持不变。外部电容器C L1 和C L2

可用来调整CL,使之达到 晶体 制造商的标定值。

即:C L1 = C L2 = 20pF

振荡器的增益裕量

根据Eric Vittoz的理论(译注:具体可参考Eric A. Vittoz et al., 'High-Performance Crystal Oscillator Circuits: Theory and Application', IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, No. 3,pp. 774-782, Jun. 1988),放大器和两个外部电容的阻抗对晶体的RLC动态等效电路的电抗有补偿作用。

基于这一理论,反向器跨导(gm)必须满足:gm > gmcrit 。在这种情况下才满足起振的振荡条件。为保证可靠的起振,增益裕量的最小值一般设为5。

频率 = 8MHz,C 0 = 7pF,C L = 10pF,ESR = 80 Ω

如果不能满足增益裕量起振条件(即增益裕量Gain margin 小于5, 晶体 无法正常起振),应尝试选择一种ESR较低或/和C L 较低的 晶体 。

5 关于PCB的建议

1. 外部杂散电容和电感要控制在一个尽可能小的范围内,从而避免 晶体 进入非正常工作模式或引起起振不正常等问题。另外,振荡器电路旁边要避免有高频信号经过。

3. 接地平面用于信号隔离和减少噪声。例如:在 晶体 的保护环(译注:(Guard ring),指器件或走线外围成一圈用于屏蔽干扰的导线环,一般要求理论上没有电流从该导线环上经过)下直接敷地有助于将 晶体 和来自其他PCB层的噪声隔离开来。要注意接地平面要紧临 晶体 但只限于 晶体 下面,而不要将此接地平面敷满整个PCB板(见图7)。

4. 像图7所示来布地线是一个好的作法。这种布线方法将振荡器的输入与输出隔离开来,同时也将振荡器和临近的电路隔离开来。所有的V SS 过孔不是直接连到地平面上(除 晶体 焊盘之外),就是连接到终端在C L1 和C L2 下方的地线上。