Oscillator操作理論
來源：http://www.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年03月07
關(guān)于石英晶體振蕩器業(yè)內(nèi)已經(jīng)探討過無數(shù)次，作為比較有發(fā)展前景的頻率控制元器件，各大晶體制造商寄予很大的期望，未來的通信，網(wǎng)絡(luò)，軍事，航天航空，信息，人工智能市場必定會用到Oscillator。同時(shí)也促進(jìn)了OSC，TCXO，VCXO，OCXO，LVDS，LV-PECL等系列技術(shù)進(jìn)步，為了應(yīng)對未來高要求，高性能市場，海外眾多晶振廠家都在加速對Oscillator的研究和升級。
振蕩器是現(xiàn)代數(shù)字IC的主要組成部分之一。根據(jù)其拓?fù)浜筒僮髟恚鼈兛梢苑譃椴煌淖酉盗?。每個(gè)振蕩器子系列對應(yīng)一個(gè)更合適的數(shù)學(xué)模型，可用于研究振蕩器行為并在理論上確定其性能。
負(fù)阻振蕩器原理：
振蕩回路由兩個(gè)分支組成（見圖4）：
•振蕩回路的有效分支，由OSC晶振本身組成。該分支負(fù)責(zé)在啟動時(shí)提供足夠的能量以使振蕩開始并積累直至其達(dá)到穩(wěn)定的振蕩階段。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)，振蕩器支路提供足夠的能量來補(bǔ)償振蕩環(huán)路無源支路損耗。
•無源分支主要由諧振器，兩個(gè)負(fù)載電容和所有寄生電容組成。
遵循小信號理論并且當(dāng)有源分支（振蕩器部分）被正確偏置時(shí)，后者應(yīng)使其跨導(dǎo)等于無源分支電導(dǎo)，以便在振蕩器偏置電壓周圍保持穩(wěn)定的振蕩。然而，在啟動時(shí)，振蕩器跨導(dǎo)應(yīng)該高于振蕩回路的無源部分的電導(dǎo)的（倍數(shù)），以最大化從振蕩回路的固有噪聲建立振蕩的可能性。請注意，與振蕩環(huán)路無源支路電導(dǎo)相比，振蕩器跨導(dǎo)過大也可能使振蕩環(huán)路飽和并導(dǎo)致啟動失敗。
為了確保有源晶振成功啟動并保持穩(wěn)定振蕩的能力，規(guī)定了振蕩回路的負(fù)阻與晶體最大等效串聯(lián)電阻（ESR）之間的比率：對于STM32和STM8微控制器，建議使用對于HSE振蕩器，比率高于x5，對于LSE振蕩器，比率高于x3。
諧振子系列可分為兩個(gè)主要子系列：
•負(fù)阻振蕩器
•正反饋振蕩器
這兩個(gè)振蕩器子系列與輸出波形相似。它們以所需頻率提供振蕩波形。由于振蕩回路的某些分量的非線性，該波形通常由所需頻率的基本正弦波形加上泛音諧波之和（在基頻諧波的頻率倍數(shù)處）組成。
這兩個(gè)子系列的操作原理不同。這種差異還意味著用于描述和分析每個(gè)子族的不同數(shù)學(xué)模型。
正反饋振蕩器通常使用著名的巴克豪森模型建模，其中振蕩器應(yīng)滿足巴克豪森標(biāo)準(zhǔn)，以便能夠在所需頻率下保持穩(wěn)定的振蕩。
巴克豪森模型可以描述負(fù)阻振蕩器。然而，這種方法還不夠。分析負(fù)阻振蕩器的最合適方法是使用E.Vittoz的論文（[1]）中描述的負(fù)阻模型。
由于STM32低速外部（LSE）晶體振蕩器和高速外部（HSE）振蕩器均采用負(fù)阻原理設(shè)計(jì)，因此本節(jié)重點(diǎn)介紹負(fù)阻模型。
負(fù)阻力：
從理論上講，石英晶體振蕩器負(fù)電阻是偶極子，它吸收熱量并將能量轉(zhuǎn)換成與施加的電壓成比例的電流，但是在相反的方向上流動（恰好是電阻的相反機(jī)制）。實(shí)際上，這樣的偶極子不存在。事實(shí)上，術(shù)語“負(fù)電阻”是“負(fù)電阻”的誤稱，它由給定電壓變化（ΔV）除以感應(yīng)電流變化（ΔI）的比值定義。）。與始終為正的電阻不同，跨電阻（也稱為微分電阻）可以是正的也可以是負(fù)的。圖3給出了偶極子的電流-電壓曲線，顯示了負(fù)的跨阻區(qū)域。很明顯，V/I比率總是正的。然而，這不是ΔV/ΔI比的情況。
以紫色表示的I-V曲線部分顯示負(fù)反轉(zhuǎn)：
而藍(lán)色曲線的部分顯示正反轉(zhuǎn)：
跨導(dǎo)：
與被定義為電阻的倒數(shù)的電導(dǎo)一樣，跨導(dǎo)也被定義為跨電阻的倒數(shù)。跨導(dǎo)也可以定義為由下式表示的微分電導(dǎo)：
本文章僅涉及諧波振蕩器（弛張振蕩器不在本應(yīng)用筆記的范圍內(nèi)），特別關(guān)注穿孔振蕩器拓?fù)?。這種限制范圍是由于本文所涵蓋的STM32微控制器中嵌入的所有需要??外部無源元件（外部諧振器，負(fù)載電容等）的振蕩器都是前面提到的類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
弄清楚Oscillator的工作原理會方便工程們更好的利用，我們生活在一個(gè)高科技，高創(chuàng)新的新時(shí)代，振蕩器是科技發(fā)展中不能缺少的助力，振蕩器的時(shí)鐘頻率振蕩功能，在通電后可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而帶動PCB板上其他元器件一起工作。而且晶振的工作年限是沒有固定的，只要是正常的操作，基本上就能一直用下去，只是每年會損耗一點(diǎn)。
振蕩器是現(xiàn)代數(shù)字IC的主要組成部分之一。根據(jù)其拓?fù)浜筒僮髟恚鼈兛梢苑譃椴煌淖酉盗?。每個(gè)振蕩器子系列對應(yīng)一個(gè)更合適的數(shù)學(xué)模型，可用于研究振蕩器行為并在理論上確定其性能。
負(fù)阻振蕩器原理：
振蕩回路由兩個(gè)分支組成（見圖4）：
•振蕩回路的有效分支，由OSC晶振本身組成。該分支負(fù)責(zé)在啟動時(shí)提供足夠的能量以使振蕩開始并積累直至其達(dá)到穩(wěn)定的振蕩階段。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)，振蕩器支路提供足夠的能量來補(bǔ)償振蕩環(huán)路無源支路損耗。
•無源分支主要由諧振器，兩個(gè)負(fù)載電容和所有寄生電容組成。
圖4.基于晶體諧振器的典型振蕩環(huán)路的框圖
為了確保有源晶振成功啟動并保持穩(wěn)定振蕩的能力，規(guī)定了振蕩回路的負(fù)阻與晶體最大等效串聯(lián)電阻（ESR）之間的比率：對于STM32和STM8微控制器，建議使用對于HSE振蕩器，比率高于x5，對于LSE振蕩器，比率高于x3。
諧振子系列可分為兩個(gè)主要子系列：
•負(fù)阻振蕩器
•正反饋振蕩器
這兩個(gè)振蕩器子系列與輸出波形相似。它們以所需頻率提供振蕩波形。由于振蕩回路的某些分量的非線性，該波形通常由所需頻率的基本正弦波形加上泛音諧波之和（在基頻諧波的頻率倍數(shù)處）組成。
這兩個(gè)子系列的操作原理不同。這種差異還意味著用于描述和分析每個(gè)子族的不同數(shù)學(xué)模型。
正反饋振蕩器通常使用著名的巴克豪森模型建模，其中振蕩器應(yīng)滿足巴克豪森標(biāo)準(zhǔn)，以便能夠在所需頻率下保持穩(wěn)定的振蕩。
巴克豪森模型可以描述負(fù)阻振蕩器。然而，這種方法還不夠。分析負(fù)阻振蕩器的最合適方法是使用E.Vittoz的論文（[1]）中描述的負(fù)阻模型。
由于STM32低速外部（LSE）晶體振蕩器和高速外部（HSE）振蕩器均采用負(fù)阻原理設(shè)計(jì)，因此本節(jié)重點(diǎn)介紹負(fù)阻模型。
負(fù)阻力：
從理論上講，石英晶體振蕩器負(fù)電阻是偶極子，它吸收熱量并將能量轉(zhuǎn)換成與施加的電壓成比例的電流，但是在相反的方向上流動（恰好是電阻的相反機(jī)制）。實(shí)際上，這樣的偶極子不存在。事實(shí)上，術(shù)語“負(fù)電阻”是“負(fù)電阻”的誤稱，它由給定電壓變化（ΔV）除以感應(yīng)電流變化（ΔI）的比值定義。）。與始終為正的電阻不同，跨電阻（也稱為微分電阻）可以是正的也可以是負(fù)的。圖3給出了偶極子的電流-電壓曲線，顯示了負(fù)的跨阻區(qū)域。很明顯，V/I比率總是正的。然而，這不是ΔV/ΔI比的情況。
以紫色表示的I-V曲線部分顯示負(fù)反轉(zhuǎn)：
而藍(lán)色曲線的部分顯示正反轉(zhuǎn)：
圖3.偶極子的I-V曲線顯示負(fù)的跨阻區(qū)域（紫色）
與被定義為電阻的倒數(shù)的電導(dǎo)一樣，跨導(dǎo)也被定義為跨電阻的倒數(shù)。跨導(dǎo)也可以定義為由下式表示的微分電導(dǎo)：
本文章僅涉及諧波振蕩器（弛張振蕩器不在本應(yīng)用筆記的范圍內(nèi)），特別關(guān)注穿孔振蕩器拓?fù)?。這種限制范圍是由于本文所涵蓋的STM32微控制器中嵌入的所有需要??外部無源元件（外部諧振器，負(fù)載電容等）的振蕩器都是前面提到的類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
弄清楚Oscillator的工作原理會方便工程們更好的利用，我們生活在一個(gè)高科技，高創(chuàng)新的新時(shí)代，振蕩器是科技發(fā)展中不能缺少的助力，振蕩器的時(shí)鐘頻率振蕩功能，在通電后可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而帶動PCB板上其他元器件一起工作。而且晶振的工作年限是沒有固定的，只要是正常的操作，基本上就能一直用下去，只是每年會損耗一點(diǎn)。
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