测试表明石英晶体振荡器具有低电流低电压

皮尔斯型谐振石英晶体振荡器设计用于连接两个串联的1.5V电池,并可在低至2.4 V的电源电压下可靠启动.之前的测试表明使用标准CD4000逆变器的Pierce晶体振荡器无法工作可靠地从如此低的电源电压开始,虽然一旦启动它们就可以在较低的电压下工作.

低启动电压最初设计为在特定时钟设计中允许最短的电池寿命为一年.所示电路获得专利,但该专利已过期.

该振荡器具有共轨集电极输出驱动,具有轨到轨输出,可直接连接到数字CMOS逻辑.最重要的是,为了延长电池寿命,需要非常低的工作电流,因此选择输出晶体管是因为它们在低电流(20μA)下具有相对较高的增益.该晶体是标准的32.768K晶体(精确分为1Hz),频率容差为±20ppm.

R1和R2在电源中点偏置晶体管Q1和Q2.振荡器的输出(在集电极连接处)连接到R3,R3与C1,X1和C2一起构成相移网络.该网络的输出应用于Q1和Q2的基础,完成再生循环.

C2不是必需的,但包括在其他情况下可能需要的情况下.该环路在振荡频率下具有360°的相移.石英晶体振荡器输出也连接到缓冲器U1,缓冲器U1对振荡器信号进行平方.合适的缓冲器是CD4000系列IC,例如逆变器,或NAND或NOR作为逆变器.

对于3V的电源电压,测得的无负载振荡器电流为1.4μA(振荡器未连接到U1,CD4011B NAND),负载振荡器电流为1.8μA,振荡器和U1组合电流为3μA.

图2显示了振荡器和U1输出的示波器照片.注意,由于有源晶振输出的上升时间考虑和高速CMOS的较高转换电流,将振荡器输出直接连接到高速CMOS电路将导致相当大的电源电流.因此,建议使用CD4000系列缓冲器或合适的替代品.

此外,图2显示了另一种偏置装置,它允许在较低的电源电压下工作.对于图1中的电路,电源电压必须大于两个基极-发射极电压之和.对于图2中的布置,启动电源电压在32.768kHz时小于2V.有趣的是,观察到电源电压低至0.65V时的振荡,电源电流小于1μA.

一些简短的测试表明,这种振荡器也可能在更高频率下有用.在30MHz时,一个晶体在其第三个泛音下运行没有任何困难.Q1,Q2和C3没有变化;R1和R2为330kΩ,R3为短路.C1和C2没有精确确定,但是1到40-pf可变电容器被调整以实现最小振荡器电流.对于3V的电源电压,测量了约400μA的无负载振荡器电流.