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ACT晶体和谐振器的模拟

来源：http://konuaer.net 作者：康华尔电子 2019年07月15

目前国内电子市场中,英国进口的晶振品牌还是比较少的,但也有多家已经成为大陆用户主要的供应商,ACT Company就是其中的代表,成立于1986年,33年的时间里,ACT晶振公司就从一个小小的工厂,蜕变成为一家大型企业,量产的晶体和谐振器远销海外.拥有强大的频率控制产品组合,包括晶体,时钟振荡器,TCXO和滤波器.与Esterline研究和设计（ERD）的合作使我们能够突破高精度振荡器技术的界限.这些突破性产品为TCXO和OCXO树立了新标准,创造了当今市场上性能最高,最精确的振荡器技术.作为discoverIE Groupplc的一部分,通过我们的独立分销合作伙伴,ACT可以在全球范围内支持用户的频率控制要求.
在毫米级应用中,石英振荡器是许多模拟电路中的通用模块.以下文章提供了一些关于如何模拟作为其主要成分的压电谐振器的建议.表示晶体谐振器阻抗的RLC电路由图1中的两端等效物表示.

上面的石英晶体谐振器电路表示静态电容C0,表示由两个电极分开的绝缘体的影响,动态分支L1-C1-R1相当于压电振动的隔离模式,分别模拟惯性,恢复力和摩擦力.金属罐中的器件可能需要通过三端子等效物建模,包括支架的电容,见图2.如有必要,可以模拟其他不需要的振荡模式,如杂散,作为与L1-C1并联的附加运动分支-R1.

准确计算等效电路中的元件值对于提供可靠的仿真至关重要.加载标准模型(通常用于10MHz晶振)将产生并联或串联谐振模式的错误频率:同样,在牵引电路中,不正确的运动电容值将对变化的负载电容产生错误的灵敏度.
以27MHz基本SMD晶振为例,负载电容为12pF,拉动灵敏度为20ppm/pF.运动共振方程为Fs=1/[2(L1*C1)]
对于并联谐振,Fp=Fs[1+C1/(2*C0)]=27.000MHz
对于提拉灵敏度,S=1000000*C1/2(C0+Cl)²=20ppm/pF
其中CL,负载电容为12pF.如果指定C0,作为3pF的并联电容,则运动电容C1为9pF,Fs为26.95956MHz,运动电感L1为3.87mH.运动阻力的合理范围值是20对于30MHz晶体和60对于10MHz.对于其他频率:

频率(MHz)	R1(欧姆)	L1(MH)	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

陶瓷谐振器的模拟更加困难,因为这三个端子部件包含内部负载电容器,并且电抗与阻抗的比率低于晶体的值.共振频率也低于晶体的共振频率,因此反应组分的陶瓷谐振器尺寸进一步减小.质量因数的降低意味着更快的启动,但缺点是负载电容值对振荡器频率的影响大于晶体.
两个终端谐振器的典型值为:

频率(MHz)	R1(欧姆)	L1(MH)	C1(pF)	C0(pF)
3.58	7	0.113	1936/年	140
6	8	0.094	8.3	60
8	7	0.092	4.6	40
11.0	10	0.057	3.9	30

对任何振荡器的启动进行建模也是一项困难的工作.巴克豪森的标准是:振荡器中的环路增益必须等于或大于1,并且相移必须是2的倍数,以便电路启动.在实际应用中,增加一个与晶体或谐振器并联的大电阻可以改善启动,因此谐振器的电阻值为1Megohm,1MHz以上的石英晶体电流为10Megohm,手表晶体的电阻值为22Megohm可能会在仿真中得到一些积极的结果.

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