美國FOX晶振總公司位于佛羅里達(dá)州的邁爾斯堡，是家族式的集團(tuán)，主要開發(fā)和生產(chǎn)各種石英晶體和石英晶體振蕩器，成立于1979年，是一家值得信任和可靠的頻率元件制造商。截止2018年最后一個(gè)季度，Fox晶振在全球范圍內(nèi)，共有10000多家客戶，自主研發(fā)的晶振型號(hào)有幾百款，從簡單的晶體，到現(xiàn)在比較重視的振蕩器系列，幾十年間福克斯晶振公司成為美國較具有潛力的一家石英水晶組件供應(yīng)商。

本文旨在為工程師提供有關(guān)晶體控制振蕩器的基本信息。出于本文的目的，振蕩器可以定義為用于穩(wěn)定時(shí)頻發(fā)生器的設(shè)備，特別是那些提供數(shù)據(jù)處理設(shè)備使用的時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)備。由于具有內(nèi)置計(jì)時(shí)功能的微處理器設(shè)備的激增，石英晶體振蕩器幾乎無處不在。盡管有這種趨勢(shì)（或者也許是因?yàn)樗?，總結(jié)振蕩器的基本信息是有用的。在其最簡單的形式中，振蕩器由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成，即放大器網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)。圖1.0說明了這種基本配置。

正如所料，放大器網(wǎng)絡(luò)放大了所施加信號(hào)的強(qiáng)度。反饋網(wǎng)絡(luò)接收該信號(hào)，校正可能存在的任何異相情況，然后將信號(hào)返回到放大器網(wǎng)絡(luò)和振蕩器的輸出級(jí)。只要振蕩器通電，該過程就會(huì)持續(xù)。由于所討論的設(shè)備的性質(zhì)，我們可能理所當(dāng)然地認(rèn)為反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入側(cè)將存在異相條件。

基于以上所述，反饋網(wǎng)絡(luò)似乎對(duì)晶振的成功運(yùn)行至關(guān)重要，事實(shí)上，情況絕對(duì)如此。雖然可以使用諸如LCR網(wǎng)絡(luò)之類的分立組件的某種組合作為相位校正機(jī)制，但經(jīng)驗(yàn)表明這種方法很少令人滿意。這樣的電路將具有非常低的“Q”值并且在物理上將非常大。然而，其最大的缺點(diǎn)是這種網(wǎng)絡(luò)完全不能在任何顯著的溫度偏差下保持合理的頻率穩(wěn)定性。

因?yàn)檎袷幤鞯耐ǔＤ繕?biāo)是為輸出級(jí)提供特定的，良好控制的頻率，所以需要精確的相位校正方法。經(jīng)驗(yàn)表明，壓電石英晶體單元非常適合這項(xiàng)任務(wù)。出于本討論的目的，我們假設(shè)圖1.0的放大器網(wǎng)絡(luò)由集成電路組成，反饋網(wǎng)絡(luò)由石英晶體組成。在振蕩器電路按預(yù)期運(yùn)行之前，必須滿足兩個(gè)條件：

1.電路周圍的環(huán)路增益必須等于1或1。這可以通過放大器網(wǎng)絡(luò)的自限制特性或通過一些外部增益控制電路來實(shí)現(xiàn)。

2.電路周圍的凈相移必須等于2pn，其中n是整數(shù)，通常為1或2.在我們的本例中，石英諧振器負(fù)責(zé)將相位移動(dòng)到滿足條件2所需的程度。如果信號(hào)非常不同相，頻率遠(yuǎn)離石英晶體諧振器的諧振頻率，則振蕩器將無法按預(yù)期運(yùn)行（如果有的話）。

施加信號(hào)的相位變化不僅導(dǎo)致頻率的變化，而且導(dǎo)致電抗的變化。雖然振蕩器內(nèi)的所有組件可能引起電抗或多或少的變化，但是石英晶體的電抗非常明顯，以至于可以假設(shè)其他組件具有零電抗。

圖2.0顯示了石英晶體的電抗曲線。

如果我們以接近晶體自然諧振頻率的頻率施加交變信號(hào)，晶體將通過壓電效應(yīng)激勵(lì)。隨著頻率的增加，我們將達(dá)到晶體電阻的程度最小，電流最大。該點(diǎn)被識(shí)別為“串聯(lián)”諧振頻率，在上面表示為“fs”。此時(shí)晶體在零相位處諧振。

如果我們繼續(xù)增加頻率，我們將達(dá)到另一個(gè)零相位點(diǎn)，稱為“反”或“并聯(lián)”諧振點(diǎn)。此時(shí)，晶體單元的電阻最大，電流最小。該頻率固有地不穩(wěn)定，不應(yīng)選擇作為振蕩器的工作頻率。圖2.0還示出了被識(shí)別為“通常并聯(lián)共振區(qū)域”的區(qū)域。出于我們的目的，我們將該區(qū)域內(nèi)的頻率視為“并行”頻率。

正如有兩個(gè)與石英晶振相關(guān)的零相位頻率，有兩種基本類型的振蕩器。與晶體一樣，第一種稱為串聯(lián)諧振型，如圖3.0所示。

圖3.0所示的串聯(lián)諧振電路能夠在發(fā)生晶體故障時(shí)以某種非晶體控制頻率振蕩。如果需要，該電路不提供頻率調(diào)整。該電路有時(shí)也很難啟動(dòng)。此外，真正的串聯(lián)電路在生產(chǎn)中非常難以實(shí)現(xiàn)，因此輸出頻率通常與設(shè)計(jì)參數(shù)略有不同（如果僅有的話）。

第二種類型的電路是“并聯(lián)諧振”電路，如圖4.0所示。您將立即注意到包含兩個(gè)電容，稱為CL1和CL2。這些電容器位于石英晶體外部，具有將諧振頻率提高到高于串聯(lián)諧振頻率的效果。特別注意，振蕩器頻率增加而不是時(shí)鐘晶體頻率。這個(gè)頻率通常被稱為“并行”頻率，但實(shí)際上這是一個(gè)誤稱。該頻率來自包含電容器，應(yīng)恰當(dāng)?shù)胤Q為“負(fù)載諧振”頻率。由于電容器將頻率增加到高于串聯(lián)諧振頻率的點(diǎn)，因此必須仔細(xì)計(jì)算和指定它們的值。

與串聯(lián)諧振電路相比，圖4.0所示的電路在晶體故障時(shí)不會(huì)繼續(xù)振蕩，并且如果需要調(diào)整則提供頻率調(diào)節(jié)手段。所有振蕩器電路都依靠噪聲作為啟動(dòng)振蕩的手段; 并聯(lián)電路通過電容器的介質(zhì)提供額外的噪聲。在使用集成電路的應(yīng)用中推薦使用所謂的“并聯(lián)諧振”電路。

Fox Crystal公司提供的這份關(guān)于石英晶體振蕩器電路的基礎(chǔ)資料，目的是為了幫助各大工廠和企業(yè)的工程，更加的了解并熟悉振蕩器，可以更好的選擇和應(yīng)用晶體振蕩器。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)確認(rèn)好需要的晶振型號(hào)，封裝和詳細(xì)的規(guī)格，并向供應(yīng)商尋求幫助，測試樣品，如果不清楚產(chǎn)品方案需要用到哪種諧振器或振蕩器，可以讓供應(yīng)商幫助選型。