壓電晶體諧振器與振蕩器的仿真分析
來源：http://m.xwpc.com.cn 作者：金洛鑫電子 2020年01月11
壓電晶體諧振器與振蕩器的仿真分析
在毫米波應(yīng)用中,振蕩器是許多模擬電路中的通用模塊.下面的文章提供了一些有關(guān)如何建模作為其主要成分的壓電諧振器的建議,表示石英晶體諧振器阻抗的RLC電路在圖1中用兩個(gè)端子等效表示.
上面的電路顯示,靜電容C0代表絕緣體被兩個(gè)電極隔開的效果,而運(yùn)動(dòng)分支L1-C1-R1等效于壓電振動(dòng)的隔離模式,分別模擬慣性,恢復(fù)力和摩擦.金屬罐中的設(shè)備可能需要用包含固定器電容的三端等效模型進(jìn)行建模,請參見圖2.如有必要,可以將其他不必要的振蕩模式(例如雜散)模擬為與L1-C1并聯(lián)的附加運(yùn)動(dòng)分支.-R1.
準(zhǔn)確計(jì)算等效電路中的元件值對于提供可靠的仿真至關(guān)重要.加載通常用于10MHz晶振的標(biāo)準(zhǔn)模型時(shí),將為并聯(lián)或串聯(lián)諧振模式產(chǎn)生錯(cuò)誤的頻率:此外,在上拉電路中,運(yùn)動(dòng)電容的值不正確也會(huì)對變化的負(fù)載電容產(chǎn)生錯(cuò)誤的靈敏度.
以一個(gè)27MHz的基本晶體為例,它的負(fù)載電容為12pF,牽引靈敏度為20ppm/pF.運(yùn)動(dòng)共振方程為Fs=1/[2(L1*C1)]
對于并聯(lián)諧振,Fp=Fs[1+C1/(2*C0)]=27.000MHz
對于牽引靈敏度,S=1000000*C1/2(C0+Cl)²=20ppm/pF
負(fù)載電容CL為12pF.如果我們將C0指定為3pF的并聯(lián)電容,則運(yùn)動(dòng)電容C1為9pF,Fs變?yōu)?6.95956MHz,運(yùn)動(dòng)電感L1為3.87mH.運(yùn)動(dòng)阻力的合理范圍是20~30MHz晶振和60~10MHz對于其他頻率:
陶瓷諧振器的仿真更加困難,因?yàn)檫@三個(gè)端子部分都包含內(nèi)部負(fù)載電容器,并且電抗與阻抗的比值低于晶體的值.共振頻率也低于晶體,因此反應(yīng)成分的尺寸進(jìn)一步減小.品質(zhì)因數(shù)的降低意味著啟動(dòng)速度更快,但缺點(diǎn)是負(fù)載電容值對振蕩器頻率的影響大于晶體.
兩個(gè)終端諧振器的典型值為:
對任何振蕩器的啟動(dòng)進(jìn)行建模也是一項(xiàng)困難的工作.Barkhausen標(biāo)準(zhǔn)是:石英晶體振蕩器中的環(huán)路增益必須等于或大于1,并且相移必須為2的倍數(shù),電路才能啟動(dòng).實(shí)際上,增加一個(gè)與晶體或諧振器并聯(lián)的大電阻器可以改善啟動(dòng)性能,因此在仿真器中,諧振器兩端的電阻值為1Meg,運(yùn)行在1MHz以上的晶體的電阻值為10Meg,而在表晶晶體上的電阻值為22Meg,也可能會(huì)獲得一些積極的結(jié)果.
壓電晶體諧振器與振蕩器的仿真分析
在毫米波應(yīng)用中,振蕩器是許多模擬電路中的通用模塊.下面的文章提供了一些有關(guān)如何建模作為其主要成分的壓電諧振器的建議,表示石英晶體諧振器阻抗的RLC電路在圖1中用兩個(gè)端子等效表示.
準(zhǔn)確計(jì)算等效電路中的元件值對于提供可靠的仿真至關(guān)重要.加載通常用于10MHz晶振的標(biāo)準(zhǔn)模型時(shí),將為并聯(lián)或串聯(lián)諧振模式產(chǎn)生錯(cuò)誤的頻率:此外,在上拉電路中,運(yùn)動(dòng)電容的值不正確也會(huì)對變化的負(fù)載電容產(chǎn)生錯(cuò)誤的靈敏度.
以一個(gè)27MHz的基本晶體為例,它的負(fù)載電容為12pF,牽引靈敏度為20ppm/pF.運(yùn)動(dòng)共振方程為Fs=1/[2(L1*C1)]
對于并聯(lián)諧振,Fp=Fs[1+C1/(2*C0)]=27.000MHz
對于牽引靈敏度,S=1000000*C1/2(C0+Cl)²=20ppm/pF
負(fù)載電容CL為12pF.如果我們將C0指定為3pF的并聯(lián)電容,則運(yùn)動(dòng)電容C1為9pF,Fs變?yōu)?6.95956MHz,運(yùn)動(dòng)電感L1為3.87mH.運(yùn)動(dòng)阻力的合理范圍是20~30MHz晶振和60~10MHz對于其他頻率:
| 頻率(MHz) | R1(歐姆) | L1(米高) | C1(pF) | C0(pF) |
| 2.00 | 200 | 520 | 0.012 | 4 |
| 5.00 | 50 | 115 | 0.010 | 3 |
| 15.00 | 30 | 12.5 | 0.009 | 5 |
| 30.00 | 20 | 4.7 | 0.006 | 3 |
兩個(gè)終端諧振器的典型值為:
| 頻率(MHz) | R1(歐姆) | L1(米高) | C1(pF) | C0(pF) |
| 3.58 | 7 | 0.113 | 1936 | 140 |
| 6.0 | 8 | 0.094 | 8.3 | 60 |
| 8.0 | 7 | 0.092 | 4.6 | 40 |
| 11.0 | 10 | 0.057 | 3.9 | 30 |
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