在家中或工作中遇到的大多數電子系統都將包含至少一個振蕩器，該振蕩器用作提供準確定時、同步操作或用作頻率參考的時鐘。在這里，我們將了解使用石英晶體振蕩器的許多好處并討論可用的選擇。

在基于微處理器的系統中有許多不同的時鐘信號，用于執行指令、提供外部通信接口以及將數據移入和移出存儲器。

雖然直接嵌入式控制器的時鐘頻率可能在幾兆赫茲左右，但 PC 的時鐘頻率通常預計具有 15MHz 的時鐘輸入，然后將其乘以為 CPU 和其他子系統提供時鐘。系統中的其他組件很可能有自己的時鐘要求，例如以太網控制器的 25MHz 時鐘或實時時鐘 （RTC） 所需的 32.768kHz。

此外，精確的頻率參考是射頻 （RF） 系統的先決條件，以促進端到端通信并確保濾除不受歡迎的噪聲和信號。

主要振蕩器特性

除了提供指定頻率外，振蕩器可能還必須滿足更多需求，具體取決于應用的性質。例如，一些應用需要精確定義的頻率，這對于需要通過無線或串行接口與其他設備進行通信的系統來說尤其重要。像這樣的精度通常以百萬分之幾 （ppm） 來衡量。

低功耗在電池供電或手持設備中至關重要，尤其適用于 RTC，它始終處于活動狀態，即使在待機和低功耗模式下也是如此。

最后，需要確定成本、外形尺寸和操作環境等因素。

完美的音調

每個振蕩器都采用一種諧振或調諧電路，以及放大和反饋，以產生特定頻率的輸出。

可以在電感-電容 （LC） 或電阻-電容 （RC） 網絡上創建調諧電路，這兩種網絡都是簡單的組件，可以在很寬的范圍內改變頻率。然而，創建精確的 LC 或 RC 振蕩器需要使用昂貴的精密元件；即便如此，它們也并不總能滿足大多數應用所需的最高精度和穩定性。

晶體諧振器由石英制成，其極高的物理穩定性使其成為諧振元件的首選。它被切割成兩個平行的面，上面有金屬觸點。石英顯示出壓電效應，這意味著當置于壓力下時，會在表面上產生電壓。同樣，施加的電壓會導致晶體在剪切運動中改變形狀。

此外，反饋使晶體以其自然諧振頻率振蕩，這取決于晶體的尺寸和切割方式。最常見的切割形式稱為 AT，可以在很寬的頻率范圍內部署，并表現出良好的熱穩定性。

憑借非常高的品質 （Q） 因子，晶體諧振器表現出高度準確和極其穩定的頻率，這意味著它們可以用作非常精確、低成本振蕩器的基礎產品。

晶體結構及對應電路

晶體諧振器及其對應電路的結構如圖 1 所示，其中 Cp 值表示兩個平行電極的電容。分量 Rs、Ls 和 Cs 代表晶體的內摩擦、質量和彈性等力學性能。

相應的電路表明存在兩種可能的諧振頻率：一種是由于 Ls 和 Cs 的串聯，另一種是 Cp 與電感并聯。該串聯諧振定義為：

串聯共振公式

并聯諧振頻率表示為：

并聯諧振頻率公式

這兩個頻率通常相差不到 1%，由振蕩器電路定義要采用哪一種諧振模式。在這種情況下，大多數振蕩器使用并行模式。

對于高于 75MHz 標記的更高頻率，晶體能夠以基頻或泛音的倍數振蕩。

振蕩器電路

振蕩器電路通常包含在需要參考時鐘信號的設備中。例如，許多微控制器和類似的應用程序包含兩個引腳，您可以直接將晶體產品連接到這些引腳，以及一對陶瓷電容器以完成振蕩電路。

振蕩器元件和雜散電容

電路的總負載電容 （CL） 必須滿足晶振的規定 CL。這包括陶瓷電容器以及源自晶體封裝、振蕩器輸入引腳和電路板走線的任何雜散電容。

由于準確計算電路內的雜散和寄生電容組合非常棘手，因此請嘗試從估計值（通常約為 4 到 6pF）開始，然后測量輸出頻率以確定電容器的值是否需要調整。

但是，如果總 CL 大于指定的 CL，則振蕩頻率會降低。同樣，CL 太低的地方，頻率會更高；如果 CL 在任一方向上太遠，則振蕩器可能根本不會啟動。

圖 3. 振蕩器電路

上圖顯示了使用晶體管或反相邏輯門作為反饋放大器構建的外部振蕩器電路。由于設計高質量的振蕩器是一項艱巨的挑戰，即使大多數晶體零售商都提供設計指南，購買現成的振蕩器模塊可能更容易。此類振蕩器模塊包含晶體和所需的所有組件，包括負載電容器，可確保您獲得具有成本效益的高性能振蕩器。所有這一切都取決于您提供適當的電源。

對于需要精確和可靠頻率的應用，如無線通信系統或以太網接口，晶體振蕩器模塊是一個不錯的選擇。Diodes Inc. 生產各種尺寸和 ppm 精度的晶體振蕩器產品，以適應不同的應用。

主題變奏曲

外部 CL 頻率波動的事實開啟了構建晶體振蕩器的可能性，該晶體振蕩器的輸出可以在小范圍內進行調整。這在 RF 應用中證明是很方便的，在這些應用中，接收器必須微調自己的頻率以對應接收到的信號。

壓控晶體振蕩器 （VCXO） 采用稱為變容二極管（或變容二極管）的器件作為負載電容器。變容二極管的電容隨著施加的控制電壓而改變，這隨后改變了振蕩頻率。

VCXO 的主要限制是“可拉性”、時鐘抖動和控制電壓范圍：

“牽引性”概述了控制電壓的任何給定變化的頻率變化；較大的值表明振蕩器可以在較大的范圍內工作，但較小的值會導致更好的穩定性并降低相位噪聲。最大調諧范圍通常在 +/-200ppm 左右。

時鐘抖動發生在高于固定頻率振蕩器的情況下，尤其是在其工作在其極限的調諧范圍的外部極端。

控制電壓通常為 0V 至 2 或 3V。

當您需要比普通晶體振蕩器在工作溫度范圍內更高的穩定性（例如小于 10ppm）時，您需要選擇溫度補償晶體振蕩器 （TCXO）。與前面提到的標準振蕩器模塊一樣，這些模塊也可作為現成的模塊提供，并帶有廣泛的參數。

TCXO 包含一個電路，該電路能夠測量環境溫度，然后生成控制電壓來修改 VCXO 的頻率，以抵消溫度變化的影響。TCXO 根據晶體的溫度-頻率響應曲線計算所需的控制電壓。

此外，TCXO 模塊通常包含自己的穩壓器，以保護振蕩器免受外部電源電壓變化的影響。

結論

作為諧振元件，石英晶體提供了非常精確、穩定和廉價的頻率參考。此外，晶體和晶體振蕩器現在具有一系列令人印象深刻的參數和應用，可以滿足您的設計要求。

更重要的是，許多器件集成了振蕩器電路，進一步促進了設計過程。如果您需要更高質量的時鐘，晶體振蕩器模塊可以提供有效的替代方案，展示出比其集成振蕩器等效產品更高的精度和更好的穩定性；請記住，這些模塊還提供電壓控制頻率或溫度補償。