应用笔记 1017

如何为MAX1470超外差接收机选择石英晶体振荡器


摘要 : 不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体,其性能指标也各不一样。这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、 管壳电容以及驱动电平。本应用笔记帮助读者理解这些指标参数,并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。

不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体,其性能指标也各不一样。这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、管壳电容以及驱动电平。本篇应用笔记帮助读者理解这些指标参数,并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。

晶体的等效电路见图1。图中包括了动态元件:电阻Rs、电感Lm、电容Cm和并联电容Co。这些动态元件决定了晶体的串联谐振频率和谐振器的Q值。并联电容Co是晶体电极、管壳和引腿作用的结果。

图1. 晶体模型
图1. 晶体模型

以下详细给出主要的性能指标。

谐振频率

晶体频率可以根据接收频率指定。由于MAX1470使用低端注入的10.7MHz中频,晶体频率可由下式给出(单位为MHz):



对于315MHz应用,晶体的频率可为4.7547MHz,而在433.92MHz应用时需要6.6128MHz晶体。仅基频模式的晶体需要指定(无需泛音)。

谐振模式

晶体具有两种谐振模式:串联(两个频率中的低频率)和并联(反谐振,两个频率中的高频率)。所有在振荡电路中呈现纯阻性时的晶体都表现出两种谐振模式。在串联谐振模式中,动态电容的容抗Cm、感抗Lm相等且极性相反,阻抗最小。在反谐振点。阻抗却是最大的,电流是最小的。在振荡器应用中不使用反谐振点。

通过添加外部元件(通常是电容),石英晶体可振荡在串联与反谐振频率之间的任何频率上。在晶体工业中,这就是并联频率或者并联模式。这个频率高于串联谐振频率低于晶体真正的并联谐振频率(反谐振点)。图2给出了典型的晶体阻抗与频率关系的特性图。

图2. 晶体阻抗相对频率
图2. 晶体阻抗相对频率

负载电容和可牵引性

在使用并联谐振模式时负载电容是晶体一个重要的指标。在该模式当中,晶体的总电抗呈现感性,与振荡器的负载电容并联,形成了LC谐振回路,决定了振荡器的频率。当负载电容值改变后,输出频率也随之改变。因而,晶体的生产商必须知道振荡器电路中的负载电容,这样可以在工厂中使用同样的负载电容来校准。

如果使用谐振在不同的负载电容上的晶体,那么晶体频率将偏离额定的工作频率,这样参考频率将引入误差。因而,需要添加外部电容,改变负载电容,使晶体重新振荡到需要的工作频率上。

图3给出MAX1470评估板电路里的晶体图。在这个电路中,C14和C15是串联牵引电容,而C16是并联牵引电容。Cevkit为等效的MAX1470芯片加上评估PCB的寄生电容。Cevkit约为5pF。

图3. 评估板晶体等效电路
图3. 评估板晶体等效电路

串联牵引电容会加快晶体振荡,而并联电容会减缓振荡。Cevkit为5pF,如果使用负载电容为5pF的晶体,会振荡到需要的频率上,因而无需外部的电容(C16不接,同时C14和C15在板上短接)。评估板本身使用3pF负载电容的晶体,需要两个15pF电容串联加速振荡。负载电容的计算如下:



在这个例子中,如果不使用两个串联电容,4.7547MHz晶体会振荡在4.7544MHz,而接收机将调谐在314.98MHz而不是315.0MHz,频率误差约为20kHz,也就是60ppm。

因而,关键是使用串联或者并联或者两种形式匹配晶体的负载容抗(取决于电容的值)。例如,1pF并联电容是6pF负载电容所需要的(或者以下的结合形式:C14 = C15 = 27pF, C16 = 5pF)。

谨慎使用大电容值的C16,因为它会增大谐振电路的电流,导致晶体停振,图4给出了并联电容和振荡器电流的关系图。

图4. 晶体振荡器电流与附加的并联负载电容的关系
图4. 晶体振荡器电流与附加的并联负载电容的关系

在定制的PCB中,如果Cevkit未知,可以使用频谱分析仪监测中频(在信号进入频谱分析仪之前确保使用隔直电容),然后使用串联和并联电容调谐中频频率至10.7MHz。

串联电阻

普通晶体的典型串联电阻为25Ω至100Ω。晶体制造商通常给出该电阻的特性并指定了其最大值。在MAX1470振荡电路中该电阻不要超过100Ω。

管壳或者并联电容

这个便是晶体电极、管壳和引脚的电容。典型值范围为2pF至7pF。

驱动电平

必须限制晶体的功耗,在过分机械振动的条件下石英晶体会停振。由于非线性,晶体特性也会随驱动电平变化。晶体制造商会根据特殊生产线指定最大的驱动电平。使用驱动电平在1µW范围内的晶体。

以上这些性能指标可指导用户选择合适的晶体以满足MAX1470振荡电路的需要,能够改善接收机的整体性能。

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