|浅谈有源晶振电路中的反相器

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半导体行业中常用的晶体振荡器电路是一种有源晶振。由于本身自带电源的石英晶体振荡器，便于在IC中实现、具有非常好的稳定性、高Q因子（从10000到数十万）和低制造成本，因此它在设计人员当中最受欢迎。
石英晶体振荡器主要由充当放大器（增益级）的逻辑门反相器、反相器输入输出之间的反馈电阻器以及外部晶振组件构成，如图1所示。这种布局称为并行谐振电路。任何提供振荡的电路都必须满足巴克豪森的稳定性标准：也就是说，环路增益幅度应当等于振荡频率的整数，而围绕环路的相移应当为0或者是2π的整数倍。

图1并行谐振电路
接下来，我们先一一了解下个别模块及其功能。倒相放大器与反馈电阻器：反相器模块是一种可用作数字集成电路基本构件的简单CMOS逻辑非门。在传统模式中其传输特性为非线性，如图2所示。通常CMOS反相器的设计使反相器在接近电源电压的1/2处能够提供最大增益。在设计过程中通过调整P-MOS与N-MOS的大小可以实现上述目标。在上述最大增益范围内，逻辑非门开始充当放大器的作用。不过，离开外部组件的帮助其无法单独放大任何信号。反相器自身可以提供180°的相移。另外180°相移必须由外部组件提供。

当反相器输入与输出端子之间连接反馈电阻器（Rf）时，它把自身偏置到Vin=Vout的位置。振荡器电路中所用的反相器可以确保反相器偏置点及其最大增益接近一半的电源电压。因此，所使用的反馈电阻器可以克服反相器的非线性，同时可以把简单逻辑门转换成模拟放大器。此放大器可以帮助克服在电路中使用的晶振的损失。所使用的Rf值取决于电路设计用于的操作频率。
一般情况下是在设计阶段确定贴片型石英晶体振荡器电路的最低与最高振荡频率范围。操作频率较低时的Rf值比操作频率较高时要高。介于20MHz~40MHz之间的操作频率一般采用450KΩ的Rf 。当反相器连接最佳的反馈电阻值，如果反相器输入弱信号，则倒相放大器可以在输出提供相当大的变换，从而提供大于1的环路增益并达到巴克豪森标准。电阻Rs被称为驱动限流电阻器，因为它用于限制反相器的输出，以确保晶振不会被过度激励。但是，较大的Rs值会延长晶振的启动时间；Rs的值越小，则振荡器启动越快。因此，设计人员必须选择最佳值，以便在晶振不会被过度激励的同时提供足够的电流以启动振荡。
【|浅谈有源晶振电路中的反相器】另外它还有助于把输出驱动器与CL1、CL2及晶振产生的复杂阻抗进行隔离。在某些高频振荡器中，其取值也可以为0 。晶振制造商通常会提供石英晶振的最高驱动电容。在把晶体用于石英晶体振荡器之前应当慎之又慎，因为过度激励可能导致晶振加快老化。