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压电晶体谐振器与振荡器的仿真分析

来源：http://www.jinluodz.com 作者：金洛鑫电子 2020年01月11

压电晶体谐振器与振荡器的仿真分析
　　在毫米波应用中,振荡器是许多模拟电路中的通用模块.下面的文章提供了一些有关如何建模作为其主要成分的压电谐振器的建议,表示石英晶体谐振器阻抗的RLC电路在图1中用两个端子等效表示.

　　上面的电路显示,静电容C0代表绝缘体被两个电极隔开的效果,而运动分支L1-C1-R1等效于压电振动的隔离模式,分别模拟惯性,恢复力和摩擦.金属罐中的设备可能需要用包含固定器电容的三端等效模型进行建模,请参见图2.如有必要,可以将其他不必要的振荡模式(例如杂散)模拟为与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.加载通常用于10MHz晶振的标准模型时,将为并联或串联谐振模式产生错误的频率:此外,在上拉电路中,运动电容的值不正确也会对变化的负载电容产生错误的灵敏度.
　　以一个27MHz的基本晶体为例,它的负载电容为12pF,牵引灵敏度为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
　　对于牵引灵敏度,S=1000000*C1/2(C0+Cl)²=20ppm/pF
　　负载电容CL为12pF.如果我们将C0指定为3pF的并联电容,则运动电容C1为9pF,Fs变为26.95956MHz,运动电感L1为3.87mH.运动阻力的合理范围是20~30MHz晶振和60~10MHz对于其他频率:

频率(MHz)	R1(欧姆)	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

　　陶瓷谐振器的仿真更加困难,因为这三个端子部分都包含内部负载电容器,并且电抗与阻抗的比值低于晶体的值.共振频率也低于晶体,因此反应成分的尺寸进一步减小.品质因数的降低意味着启动速度更快,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(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

　　对任何振荡器的启动进行建模也是一项困难的工作.Barkhausen标准是:石英晶体振荡器中的环路增益必须等于或大于1,并且相移必须为2的倍数,电路才能启动.实际上,增加一个与晶体或谐振器并联的大电阻器可以改善启动性能,因此在仿真器中,谐振器两端的电阻值为1Meg,运行在1MHz以上的晶体的电阻值为10Meg,而在表晶晶体上的电阻值为22Meg,也可能会获得一些积极的结果.
压电晶体谐振器与振荡器的仿真分析

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