康納溫菲爾德石英晶體振蕩器介紹，優(yōu)秀的Connor-winfield晶振公司憑借其50多年的歷史以及豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)服務(wù)，不斷的更新創(chuàng)造更具有價(jià)值的頻率控制產(chǎn)品。并通過自身的不懈的努力，打磨優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，產(chǎn)品具有高精度，高頻率，高性能，小體積，高溫度，低抖動等特點(diǎn)，產(chǎn)品包含溫補(bǔ)晶振，壓控晶振，石英晶體振蕩器等產(chǎn)品。盡管引及了競爭性諧振器技術(shù)，但與目前可用的任何其它頻率控制技術(shù)相比，基于石英的振蕩器在長期和短期穩(wěn)定性精度以及低抖動和低相位噪聲信號生成方面繼續(xù)提供最高水平的性能。

大多數(shù)IC帶有內(nèi)置有源晶體振蕩器電路采用Gated-Pierce設(shè)計(jì)，其中振蕩器是圍繞單個(gè)CMOS反相門構(gòu)建的。對于振蕩器的應(yīng)用這通常是一個(gè)單一的反相包括一個(gè)P通道和一個(gè)N通道的級增強(qiáng)型MOSFET，更常見在數(shù)字世界中，作為一個(gè)無緩沖逆變器（見圖。1） ?？梢允褂镁彌_逆變器（通常包括三個(gè)串聯(lián)的P-N MOSFET對），但是數(shù)千的相關(guān)收益將導(dǎo)致可能不太穩(wěn)定的成品振蕩器。

一個(gè)實(shí)用的振蕩器電路如圖2所示包括所述未緩沖反相器、兩個(gè)電容器，兩個(gè)電阻器和石英晶體。了解如何該振蕩器工作CMOS反相門必須被視為具有增益、相位和傳播延遲約束，而不是作為邏輯設(shè)備使用1和0。康納溫菲爾德石英晶體振蕩器介紹

圖3顯示了直流傳輸特性（Vin與。Vout）和未緩沖的DC偏置點(diǎn)線HCMOS逆變器74HCU04。在3.3V和1M? 對于Rf，逆變器將與其輸入和輸出一起放置電壓約為1.65V。這種逆變器現(xiàn)在被認(rèn)為是在其線性區(qū)域中被偏置。輸入的微小變化電壓將被增益放大，并顯示為輸出電壓的變化較大。

圖4顯示了一組典型的開環(huán)增益曲線相同的74HCU04。在3.3V時(shí)，逆變器的增益為20（26 dBV）從DC到2MHz，具有3dB衰減頻率為8.5MHz，并且看起來仍然具有增益超過100MHz。
為了將這種偏置反相門用作振蕩器，它必須具有足夠的增益克服了反饋網(wǎng)絡(luò)的損耗（圖中的C1、C2、Rlim和石英晶體。2） ，振蕩頻率下的負(fù)電阻足以超過晶體等效串聯(lián)電阻，以及整個(gè)電路周圍的相移360度。人們很容易想到這種74HCU04逆變器可以用來制造工作頻率超過100MHz的振蕩器，因?yàn)樗?.3V時(shí)有足夠的增益，但實(shí)際上由于各種振蕩器環(huán)路周圍的相移。
該電路的分析很難概括，因?yàn)樗浅Ｒ蕾囉诩易逅褂玫腃MOS門以及該特定CMOS家族的內(nèi)部構(gòu)造。全部的CMOS反相門具有輸入電容、輸出電容和輸出“電阻”和傳播延遲，所有這些都會影響C1、C2和Rlim的選擇如圖2所示，并最終確定OSC晶振的較高工作頻率。選擇偏置電阻器Rf通常在1M之間? 和10M?, 降低一個(gè)值將有效出現(xiàn)在水晶上，并可能導(dǎo)致水晶在雜散或泛音頻率。康納溫菲爾德石英晶體振蕩器介紹.
考慮一個(gè)ESR為15的20MHz晶體, 3pF的C0，需要負(fù)載電容為20pF，晶體功耗約為100µW。

從20pF的期望負(fù)載電容開始，這可以近似為C1+柵極輸入電容（1至5pF是典型值）與C2串聯(lián)。C1的比率至C2將影響增益和晶體功率耗散。一個(gè)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＜C2。這對于負(fù)載電容為20pF，柵極具有~3pF的輸入電容。

我們已經(jīng)證明，偏置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360o相移的產(chǎn)生振蕩器。大門已經(jīng)180度了由于是一個(gè)逆變器，但我們必須添加計(jì)算由于其傳播延遲引起的相移和由于事實(shí)上，我們的工作超出了門平面增益與頻率的曲線部分圖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*360o
作頻率引起的相移計(jì)算如下：-
相移=Tan-1（Fosc/F3dB）
對于這種20MHz的設(shè)計(jì)，這相當(dāng)于35o對于傳播延遲和67o對于工作頻率。剩下的72°由Rlim+反相門產(chǎn)生輸出‘電阻’和包括C1、C2和石英晶體的PI網(wǎng)絡(luò)。是的通過反相門的附加相移，設(shè)置上工作該設(shè)計(jì)的頻率限制。
如果沒有，檢查所選設(shè)計(jì)的“好壞”也是幾乎不可能的專業(yè)測試設(shè)備。一種檢查“良好性”的方法是監(jiān)測反相門的輸入和輸出。這將需要一個(gè)高帶寬示波器和一個(gè)專門的探測器。普通x10示波器探頭將有一個(gè)輸入阻抗約為10 M Ω 與10pF并行。10米將形成直流電位帶1M的分壓器接地，將改變振蕩器偏置的偏置電阻器Rf指向測量逆變器輸入時(shí)，10pF將直接出現(xiàn)在C1兩端波形制作C1=43pF，而不是設(shè)計(jì)的33pF.在示波器將完全無效（并且很可能探針將停止振蕩器無論如何都無法工作）。示波器探頭的更好選擇是“活動”或“FET”探針，探針尖端內(nèi)置高輸入阻抗緩沖器。輸入“有源”探頭的阻抗通常>10M Ω 與<2pF平行，但與以前一樣在探測有源石英晶振時(shí)必須考慮使用該探針的效果。
對于這種設(shè)計(jì)，所需的波形（假設(shè)使用了合適的探針改變振蕩器的工作條件）是一個(gè)不失真的3.3V CMOS 20MHz正方形逆變器輸出的波形和1V至3V pk/pk的干凈20MHz正弦波（疊加在1.65V偏置點(diǎn)上）。輸入很重要波形pk/pk值總是小于逆變器電源（Vdd），以防止輸入限制在輸入保護(hù)二極管上。
實(shí)際的Crystal功耗不能用示波器探頭測量因?yàn)榫w兩端的電壓和通過晶體的電流不同相。這是由于20pF的設(shè)計(jì)負(fù)載電容要求晶體工作頻率下的電感（非電阻）。假設(shè)實(shí)際晶體電流可以測量（使用高帶寬、超低電感的交流電流探針例如），那么仍然沒有辦法確定實(shí)際的晶體功率耗散因?yàn)殡娐分械木w“電阻”仍然未知。水晶制造商通常會指定最大ESR（等效串聯(lián)電阻）和最大靜態(tài)電容（C0）。在上述設(shè)計(jì)中，這些數(shù)字約為50 Ω 和~7pF分別地實(shí)際ESR可能低至2 Ω Co低至1pF，更多典型值為15 Ω和3pF。
“電路內(nèi)電阻”（Re）的方程式計(jì)算如下：-
Re = Resr (1+ C0/Cl) 2
在我們的設(shè)計(jì)中，Cl是20pF的負(fù)載電容，但Resr和C0是未知的，除非在晶體形成之前，它們是在專門的晶體阻抗計(jì)上測量的用于電路中。