1967年Rakon Crystal公司在新西蘭成立了，這是一家專注于石英晶體與石英晶體振蕩器研發(fā)制造的生產(chǎn)廠家，2001年時(shí)成為摩托羅拉汽車GPS業(yè)務(wù)的供應(yīng)商，提供精準(zhǔn)度高，穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)的有源晶振。Rakon公司設(shè)計(jì)的IC振蕩器電路即合理又符合低成本的要求，在設(shè)計(jì)IC晶體振蕩器電路時(shí)，都會(huì)先進(jìn)行計(jì)算，以確保方案的可行性。與Rakon合作的都是各個(gè)領(lǐng)域比較大的企業(yè)。

大多數(shù)IC都內(nèi)置晶體振蕩器電路采用門控皮爾斯設(shè)計(jì)的振蕩器圍繞單個(gè)CMOS反相門構(gòu)建。對(duì)于振蕩器應(yīng)用這通常是單個(gè)反相階段包括一個(gè)P信道和一個(gè)N信道增強(qiáng)型MOSFET，更為人所知在數(shù)字世界中作為無(wú)緩沖逆變器（見(jiàn)圖1）?？梢允褂镁彌_逆變器，通常是包括三個(gè)串聯(lián)的P-NMOSFET對(duì)，但是數(shù)千的相關(guān)增益將導(dǎo)致a成品石英振蕩器可能不太穩(wěn)定。

實(shí)際的振蕩器電路如圖2所示包括Un-Buffered逆變器，兩個(gè)電容器，兩個(gè)電阻和石英晶體。要了解如何這個(gè)振蕩器必須工作在CMOS反相門被認(rèn)為是具有增益，相位和增益的線性放大器傳播延遲約束，而不是邏輯設(shè)備使用1和0。

圖3顯示了直流傳輸特性（Vinvs.Vout）和Un-Buffered的DCBiasPoint線HCMOS變頻器74HCU04。在3.3V和1MΩRf，逆變器將與其輸入和輸出坐在一起電壓在~1.65V?，F(xiàn)在據(jù)說(shuō)這臺(tái)逆變器偏向于其線性區(qū)域。輸入的一個(gè)小變化電壓將被增益放大并顯示為a輸出電壓變化較大。

圖4顯示了一組典型的開環(huán)增益曲線同樣的74HCU04。在3.3V時(shí)，逆變器的增益為20（26dBV）從DC到2MHz，3dB滾降頻率為8.5MHz，仍然有增益超過(guò)100MHz。對(duì)于這個(gè)用作貼片晶振的偏置反相門，它必須具有足夠的增益克服了反饋網(wǎng)絡(luò)的損失（圖1中的C1，C2，Rlim和石英晶體）。

晶體等效串聯(lián)電阻，以及整個(gè)電路周圍的相移必須是360°。很有可能認(rèn)為這種74HCU04變頻器可用于制造振蕩器工作在100MHz以上，因?yàn)樗?/span>3.3V時(shí)有足夠的增益，但實(shí)際上它由于各種原因，制造一個(gè)高達(dá)~20MHz的穩(wěn)定振蕩器才是實(shí)用的相位在振蕩器環(huán)路周圍移動(dòng)。

對(duì)這個(gè)電路的分析很難概括，因?yàn)樗浅Ｒ蕾囉诩彝ナ褂玫?/span>CMOS柵極和該特定CMOS晶振系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所有CMOS反相門具有輸入電容，輸出電容和輸出'阻力'和傳播延遲，所有這些都影響C1，C2和Rlim的選擇在圖2中，最終是振蕩器的上工作頻率。的選擇偏置電阻Rf通常在1MΩ和10MΩ之間，有效地降低一個(gè)值在水晶上出現(xiàn)，并可能導(dǎo)致水晶在虛假或嗡嗡聲中振蕩泛音頻率。

考慮一個(gè)20MHz晶振，ESR為15Ω，C0為3pF，需要負(fù)載電容為20pF，晶體功耗約為100μW。從所需的20pF負(fù)載電容開始，這可以近似為C1+柵極輸入電容（典型值為1至5pF）與C2串聯(lián)。C1的比例到C2會(huì)影響增益和貼片石英晶振功耗。一個(gè)很好的起點(diǎn)是C1≈C2。

為了增加環(huán)路增益（并降低晶體功耗），使C1。這個(gè)對(duì)于負(fù)載電容，產(chǎn)生C1=33pF，C2=47pF的合理起始值柵極具有~3pF的輸入電容為20pF。使用這些沒(méi)有Rlim的電容值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)工作振蕩器，但晶體驅(qū)動(dòng)功率將大約1mW，超過(guò)建議的100μW的10倍這種設(shè)計(jì)的價(jià)值，以及現(xiàn)代AT帶狀晶體可能是災(zāi)難性的。添加Rlim將減少晶體驅(qū)動(dòng)功率也會(huì)降低環(huán)路增益對(duì)振蕩器的極限的負(fù)阻抗沒(méi)有開始。沒(méi)有簡(jiǎn)單的方程來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際的晶體功耗，但作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，選擇Rlim，從Rlim=C2的電抗開始在所需的振蕩器頻率（在這種情況下C2=在20MHz時(shí)47pF=170Ω）。圖5是實(shí)際的曲線圖不同Rlim值的晶體功耗以上設(shè)計(jì)。對(duì)于Rlim，OSC晶振為500Ω非常接近沒(méi)有開始。

我們已經(jīng)展示了偏置的74HCU04逆變器具有高達(dá)100MHz的足夠增益在3.3V所以我們需要考慮360°的位置相移來(lái)源于我們的振蕩器。門已經(jīng)180°了由于是逆變器，但我們必須加上這一點(diǎn)計(jì)算由于它的傳播延遲和由于的傳播延遲引起的額外相移引起的相移事實(shí)上，我們正在超越門的平坦增益與曲線的頻率部分圖4。

由傳播延遲引起的相移計(jì)算如下：-

相移=傳播延遲*工作頻率*360°

由工作頻率引起的相移計(jì)算如下：-

相移=Tan-1（Fosc/F3dB）

對(duì)于這種20MHz設(shè)計(jì)，這相當(dāng)于35°對(duì)于傳播延遲和67°為了工作頻率。剩下的72°由Rlim+反相門產(chǎn)生輸出'電阻'和PI網(wǎng)絡(luò)包括C1，C2和石英晶體諧振器。它是通過(guò)反轉(zhuǎn)門的附加相移設(shè)定上部工作此設(shè)計(jì)的頻率限制。

如果沒(méi)有，檢查所選設(shè)計(jì)的“優(yōu)點(diǎn)”幾乎是不可能的專業(yè)測(cè)試設(shè)備。檢查“良好”的一個(gè)方法是監(jiān)控波形反相門的輸入和輸出。這將需要高帶寬示波器和一個(gè)專門的探針。普通的x10示波器探頭將有一個(gè)輸入阻抗為~10MΩ，與10pF并聯(lián)。10MΩ將形成直流電位使用1MΩ偏置電阻Rf將分壓器連接至GND，這將改變貼片振蕩器偏置點(diǎn)。在測(cè)量逆變器輸入時(shí)，10pF將直接出現(xiàn)在C1上波形使C1=43pF，而不是設(shè)計(jì)的33pF。觀察到的任何痕跡示波器將完全無(wú)效（并且很可能探頭將停止無(wú)論如何振蕩器工作）。更好的示波器探頭選擇是“有源”或“有源”“FET”探頭，內(nèi)置于探頭尖端，具有高輸入阻抗緩沖器。輸入“有源”探頭的阻抗通常>10MΩ，與<2pF并聯(lián)，但與之前一樣探測(cè)振蕩器時(shí)必須考慮使用此探頭的影響。對(duì)于這種設(shè)計(jì)，需要所需的波形（假設(shè)使用的是合適的探頭改變振蕩器的工作條件）是一個(gè)無(wú)失真的3.3V CMOS 20MHz方形波形在逆變器輸出和干凈的20MHz正弦波1V至3Vpk/pk（在1.65V偏置點(diǎn)上疊加）在逆變器輸入端。重要的是輸入波形pk/pk值始終小于逆變器電源（Vdd）以防止通過(guò)限制輸入保護(hù)二極管輸入。

使用示波器探頭無(wú)法測(cè)量實(shí)際的晶體功耗因?yàn)榫w兩端的電壓和通過(guò)晶體的電流不同相。這是由設(shè)計(jì)的20pF的負(fù)載電容引起的，需要晶體工作頻率下的電感（非電阻）。假設(shè)實(shí)際的晶體電流可以測(cè)量（使用高帶寬，超低電感交流電流探頭例如）那么仍然無(wú)法確定實(shí)際的晶體功耗因?yàn)殡娐分械木w“電阻”仍然未知。水晶制造商通常會(huì)指定最大ESR（等效串聯(lián)電阻）和最大值靜態(tài)電容（C0）。在上述設(shè)計(jì)中，這些數(shù)字約為50Ω和~7pF分別。實(shí)際的ESR可以低至2Ω，Co低至1pF，更多典型值為15Ω和3pF。

“電路電阻”（Re）的公式計(jì)算如下：-

在我們的設(shè)計(jì)中，Cl的負(fù)載電容為20pF，但Resr和C0是未知的，除非它們是在晶體之前用專門的晶體阻抗計(jì)測(cè)量的用在電路中。

RAKON晶振公司在頻率控制和傳感器行業(yè)的佼佼者，產(chǎn)品主要用于物聯(lián)網(wǎng)，智能城市建設(shè)，電信，網(wǎng)絡(luò)，智能手機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)，航空航天，工業(yè)模塊等產(chǎn)品身上。2010年在中國(guó)建廠，在此之前已經(jīng)獲得了ISO14001認(rèn)證的證書。