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有源晶振电路中的反相器

发布时间:2022-02-25

    半导体工业中常用的晶体振荡器电路是有源晶体振荡器。由于自带电源的石英晶体振荡器便于在IC中实现,具有非常好的稳定性、高Q值(从一万到几十万)和低制造成本,所以最受设计者的欢迎。
    石英晶体振荡器主要由逻辑门反相器、的输入和输出之间的反馈电阻(用作放大器(增益级))和外部晶体振荡器元件组成。这种布局称为并联谐振电路。任何提供振荡的电路都必须满足巴克豪森的稳定性准则:即环路的增益幅度应等于振荡频率的整数倍,环路周围的相移应为0或2的整数倍。

    让我们逐一了解各个模块及其功能。反相放大器和反馈电阻:反相模块是一个简单的CMOS逻辑与非门,可用作数字集成电路的基本元件。在传统模式下,其传输特性是非线性的。一般来说,CMOS反相器设计为在电源电压的1/2处提供最大增益。通过在设计过程中调整P-MOS和N-MOS的尺寸,可以实现上述目标。在上述最大增益范围内,逻辑与非门开始充当放大器。然而,如果没有外部元件的帮助,它无法单独放大任何信号。逆变器本身可以提供180的相移。此外,180相移必须由外部元件提供。

    当反馈电阻(Rf)连接在逆变器的输入端和输出端之间时,它会将自身偏置到Vin=Vout的位置。振荡器电路中使用的反相器可以保证反相器偏置点及其最大增益接近电源电压的一半。因此,所用的反馈电阻可以克服反相器的非线性,将简单的逻辑门转换成模拟放大器。这个放大器可以帮助克服电路中使用的晶体振荡器的损耗。所用的Rf值取决于电路设计的工作频率。通常,片式石英晶体振荡器电路的最小和最大振荡频率范围是在设计阶段确定的。低工作频率下的Rf值高于高工作频率下的Rf值。20 MHz-40 MHz之间的工作频率一般采用450 k射频。当逆变器接入最佳反馈电阻值时,如果逆变器输入微弱信号,逆变放大器可以在输出端提供可观的变换,从而提供大于1的环路增益,达到巴克豪森标准。电阻Rs被称为驱动限流电阻,因为它用于限制逆变器的输出,以确保晶体振荡器不会被过激励。但较大的Rs值会延长晶振的启动时间;Rs值越小,振荡器启动越快。因此,设计者必须选择最佳值,以提供足够的电流来启动振荡,同时晶体振荡器不会过激励。

    此外,它还有助于将输出驱动器与CL1、 CL2和晶体振荡器产生的复阻抗隔离开来。在一些高频振荡器中,它的值也可以是0。晶体振荡器制造商通常提供应时晶体振荡器的最高驱动电容。在石英晶体振荡器中使用晶体前应小心谨慎,因为过度激励可能导致晶体振荡器加速老化。


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