一、基礎(chǔ)術(shù)語

晶體振蕩子是利用晶體特有的壓電現(xiàn)象，是可以從機(jī)器的諧振中產(chǎn)生一定頻率的元件。
隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，以前只能用大規(guī)模計算機(jī)系統(tǒng)才能處理的各種機(jī)器控制，現(xiàn)在也可以使用1個IC或LSI進(jìn)行控制。IC、LSI的操作中，時鐘基準(zhǔn)信號不可欠缺，晶體振蕩子可以生成時鐘，并且具有高波段穩(wěn)定性、無需調(diào)成、小尺寸的特點(diǎn)。現(xiàn)在，晶體振蕩子被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動通信機(jī)器中，也用于汽車、電視機(jī)、電腦、甚至是DVD機(jī)器等信息家電領(lǐng)域。可以對應(yīng)各種不同用途。

共振頻率

在石英晶體的共振特性中，共振頻率是兩點(diǎn)阻抗變?yōu)殡娮钑r的較低頻率點(diǎn)。

圖.石英晶體共振特性

阻抗Z變?yōu)殡娮柙r，兩點(diǎn)之間的頻率。在這兩點(diǎn)上，相為0。

其中頻率較低的點(diǎn)稱為共振頻率。另外一個點(diǎn)稱為反共振頻率。

等效電路

下圖所示的是由電阻、電感和電容組成的石英晶體的共振特性。R1在等效電路中稱為等效串聯(lián)電阻，是石英晶體的重要特性。

 

等效串聯(lián)電阻 (R1)
石英晶體等效電路串聯(lián)支路中的電阻。

負(fù)載電容 (Cs)
讓石英晶體具有負(fù)載共振頻率的電容。
在實(shí)際振蕩電路中，連接石英晶體的實(shí)際電容是由外部負(fù)載電容、IC雜散和PCB等產(chǎn)生的。

也可用下述公式進(jìn)行計算:

 

負(fù)載共振頻率 (fL)
負(fù)載共振頻率是石英晶體中負(fù)載電容串聯(lián)的共振頻率，這一頻率比共振頻率高。
由于實(shí)際值與石英晶體規(guī)范中額定值之間的電容差，所以實(shí)際和額定振蕩頻率間存在頻差。

也可用下述公式進(jìn)行計算:

 

拉敏性
上圖顯示了負(fù)載電容變化產(chǎn)生的負(fù)載共振頻率 (fL) 偏移。
此圖中每個點(diǎn)的斜率就是拉敏性。
參見下圖。在負(fù)載電容為6pF時，拉敏性是-17ppm/pF。 (負(fù)載電容變化1pF時，頻移為17ppm)

也可用下述公式進(jìn)行計算:

 

導(dǎo)納圓
下圖是在導(dǎo)納平面坐標(biāo) (電導(dǎo)—電納) 上繪制的石英晶體共振特征。由于畫成了圓形，因此稱為導(dǎo)納圓。
在頻率低于共振頻率時，導(dǎo)納靠近原點(diǎn)。
在頻率增加時，導(dǎo)納按順時針方向畫圓。

 

振蕩裕量/負(fù)阻分析
即振蕩停止的裕量，這也是振蕩電路中最重要的術(shù)語。
振蕩裕量取決于組成振蕩電路的元件 (石英晶體、MCU、電容器以及電阻器) 。
村田推薦維持5倍或更大的振蕩裕量。
詳細(xì)內(nèi)容請參閱“振蕩裕量說明”。

負(fù)阻 (-R)
負(fù)阻是用阻抗表示的振蕩電路信號放大能力。
由于其作用與電阻相反，所以是負(fù)值。
負(fù)阻絕對值小說明振蕩電路的放大能力低。
振蕩電路中的負(fù)阻取決于CMOS逆變器的特性、反饋電阻、阻尼電阻和外部負(fù)載電容。

 

驅(qū)動功率
驅(qū)動功率是指振蕩電路中石英晶體的功耗。
它不僅取決于石英晶體的等效串聯(lián)電阻，還取決于組成振蕩電路的元件 (MCU、電容和電阻) 。
在驅(qū)動功率超額時，頻率—時間性能會出現(xiàn)不正常特性。在設(shè)計振蕩電路時，最好檢查一下驅(qū)動功率。

C-MOS逆變器
C-MOS是互補(bǔ)MOS，組成了相互連接的p和n型MOSFET。
在下圖中起到逆變器 (邏輯逆變電路NOT) 的作用。

 

振蕩電路
在裝有C-MOS逆變器或晶體管的放大電路中，所謂的“振蕩電路”就是將輸出連接到輸入，以便持續(xù)放大反饋。
只有通過石英晶體反饋才能選擇并放大共振頻率的信號。

電路匹配
構(gòu)成電路的元件 (C-MOS逆變器、石英晶體、電阻和外部負(fù)載電容) 組合，會改變振蕩特性。
因此，必須組成適當(dāng)?shù)碾娙萁M合，以獲得強(qiáng)大的振蕩電路。這種檢查和調(diào)整也稱為電路匹配。

標(biāo)稱頻率
標(biāo)稱頻率是指石英晶體生產(chǎn)商指定的石英晶體頻率。
必須要知道的是，由于MCU、PCB和外部負(fù)載電容的不同，實(shí)際振蕩頻率會偏離標(biāo)稱頻率。

頻率容限
是指操作環(huán)境中振蕩頻率最大允許偏差的頻率范圍。通常根據(jù)標(biāo)稱頻率用ppm表示。

振蕩電路元件：

反饋電阻
在振蕩電路中，反饋電阻與C-MOS逆變器并聯(lián)連接。它可能集成在MCU上。
它的作用是平衡逆變器I/O間的DC電壓，而逆變器將起到放大器的作用。
在反饋電阻沒有集成在MCU上時，最好使用1Mohm作為外部反饋電阻。

阻尼電阻
阻尼電阻用于振蕩電路中C-MOS逆變器的輸出端。其作用是減小振蕩幅度，以降低降低功率。另一方面，必須注意振蕩裕量，因?yàn)槌~的阻尼電阻會引起振蕩停止。
通常阻尼電阻的使用范圍是從0到2kΩ，它取決于MCU的特性。

外部負(fù)載電容
外部負(fù)載電容用于振蕩電路接地逆變器的輸入端和輸出端。
它是直接影響負(fù)阻和振蕩頻率的重要元件。
這些電容在CERALOCK®中稱為“負(fù)載電容器”。另一方面，在石英晶體中，將其稱為“外部負(fù)載電容”，以區(qū)別于負(fù)載電容“Cs”。
通常將兩個相同的電容用作外部負(fù)載電容。
5到10pF作為外部負(fù)載電容是很適合的，這將取決于MCU的特性和安裝基板的寄生電容。

二、振蕩裕量

振蕩裕量是指振蕩停止的裕量，這是振蕩電路中最重要的術(shù)語。該裕量是以石英晶體電阻為基礎(chǔ)的比值，表明振蕩電路放大能力的大小。理論上來說，在裕量大于或等于1時，振蕩電路可以運(yùn)行。但是，在振蕩裕量接近1時，由于振蕩啟動時間過長等原因，模塊運(yùn)行可能會失敗。可以通過增加振蕩裕量來解決此類問題。

計算

可以使用如下方法計算振蕩裕量:
振蕩裕量[倍] = |-R|/R1spec
|-R|: 負(fù)阻
R1spec: 規(guī)范中規(guī)定的石英晶體等效串聯(lián)電阻最大值。
請參考石英晶體目錄或數(shù)據(jù)表中的R1 spec值。
可以測量實(shí)際振蕩電路的負(fù)阻。
最好使振蕩裕量大于或等于5倍。

測量方法

1、測量要求
·  PCB
·  石英晶體(具有等效電路常數(shù)數(shù)據(jù))
·  電阻(SMD)
·  測量儀器(示波器、頻率計數(shù)器或是其它可以觀察振蕩的儀器)
2、將電阻串聯(lián)到石英晶體上，并檢查振蕩電路是否工作。

3、如果2) 證實(shí)有振蕩，就增大電阻。如果沒有振蕩，就減小電阻。
4、找出最大電阻(=Rs_max) ，即振蕩停止前的電阻。
5、用Rs_max測量振蕩頻率。
6、通過以下公式計算有效電阻RL

7、通過以下公式計算負(fù)阻|-R|:

簡單方法

1、我們用簡單方法來查看一下振蕩裕量是否超過5倍。
·  準(zhǔn)備一個石英晶體等效串聯(lián)電阻額定電阻5倍的電阻器。
·  將準(zhǔn)備好的電阻器串聯(lián)到石英晶體上。
·  檢查振蕩電路是否正常工作。
2、判斷
·  振蕩電路是否正常工作，也就是振蕩停止裕量大于等于5倍。
·  如果振蕩電路不工作，振蕩停止裕量可能小于5倍。
·  在振蕩停止裕量小于5倍時，最好減小阻尼電阻或是外部負(fù)載電阻。
判斷
請使用振蕩裕量大于5倍的振蕩電路。
在實(shí)際使用中，從理論上來說，如果振蕩裕量大于或等于1倍，應(yīng)通過振蕩電路是否工作來考慮振蕩裕量的變化。
如果振蕩裕量較低，很可能會出現(xiàn)振蕩故障。因此，最好檢查一下振蕩裕量，并考慮電路條件，以保持足夠的振蕩裕量。
注意
·  影響振蕩裕量的不僅是石英晶體特性，還有組成振蕩電路的元件(MCU、電容器和電阻器) 。因此，在使用MCU組裝模塊時，最好檢查一下振蕩裕量。
·  最好對串聯(lián)的電阻器進(jìn)行評估。請不要在實(shí)際使用中使用此類電阻器。
·  最好檢查模塊的功能。振蕩電路的頻移很可能會造成模塊無法正確工作。
·  在測量中應(yīng)當(dāng)使用夾具和插座，但是它們的雜散會對振蕩裕量產(chǎn)生影響。




三、驅(qū)動功率

驅(qū)動功率是指振蕩電路工作時石英晶體的功耗。保持石英晶體低于驅(qū)動功率是很重要的。超過驅(qū)動功率，可能會引起頻率和等效串聯(lián)電阻的意外變化。

計算

按如下方法計算驅(qū)動功率:
驅(qū)動功率= I2?R1
I: 驅(qū)動功率[有效值]
R1: 石英晶體的等效串聯(lián)電阻
驅(qū)動功率是指在振蕩電路工作時通過石英晶體的電流。可以在實(shí)際振蕩電路上測量勵樣子電流。
可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器來測量R1。

測量實(shí)例

 

1、測量設(shè)備和裝置
·  PCB
·  石英晶體(具有等效電路常數(shù)數(shù)據(jù))
·  示波器、電流探針
2、焊接一根引線，并如下圖所示放置電流探針。
3、給PCB提供電壓，并在示波器上觀察勵樣子電流波形。
4、計算勵樣子電流的有效值
如果波形是正弦波或與之類似的波形，就使用Ip-p/2√2計算有效值數(shù)字示波器具有讀取有效值的功能。
5、通過上述公式計算驅(qū)動功率。

判斷

 

測量的驅(qū)動功率不應(yīng)超過石英晶體規(guī)格的驅(qū)動功率。
只測量通過石英晶體的電流。所以應(yīng)將電流探針放于A點(diǎn)。

振蕩電路: 正常條件

從水晶盤的一側(cè)脫焊，并通過穿過電流探針的引線連接到PCB上。

連接電流探針

四、振動頻率

振動頻率是指與石英晶體一起工作的振蕩電路的實(shí)際頻率。振動頻率由石英晶體決定，并受MCU、外部負(fù)載電容、PCB雜散電容等的影響。

測量方法

振動頻率通過以下方程來計算。
負(fù)載共振頻率，fr: 共振頻率，Cs: 負(fù)載電容，C0、C1: 等效電路常數(shù)

測量方法1

1、測量設(shè)備和裝置
·  振蕩電路
·  頻率計數(shù)器
·  放大器(或是帶有輸出信號的示波器)
·  探針
2、按照下圖所示準(zhǔn)備測量設(shè)備。請盡可能延長示波器中Y軸的范圍。
3、讓探針盡可能靠近振蕩電路。
4、從頻率計數(shù)器上讀取頻率。
注意
·  請不要讓探針觸碰振蕩電路。由于探針的輸入電容，實(shí)際振蕩頻率會降低。
·  請注意，示波器中顯示的頻率精度是不夠的。
·  請注意數(shù)字示波器因量化誤差而產(chǎn)生的采樣率或平均數(shù)。
測量方法2
1、測量設(shè)備和裝置
·  振蕩電路
·  光譜分析儀
·  天線(可以用作天線的同軸電纜)
2、按照下圖準(zhǔn)備測量設(shè)備。
3、讓天線盡可能靠近振蕩電路。
4、讀取光譜分析儀響應(yīng)的峰值頻率。
注意
·  請不要讓天線觸碰振蕩電路。
·  請使用小量程的光譜分析儀測量響應(yīng)，以提高精度。
注意
測量頻率時，為了防止對探針等產(chǎn)生的影響，不要讓任何物體接觸振蕩電路，這很重要。
如果探針接觸振蕩電路聯(lián)通探針電容，會使振蕩頻率偏移。

振蕩電路: 使用計數(shù)器測量頻率

振蕩電路: 通過光譜分析儀測量頻率

五、振蕩幅度

振蕩幅度指在振蕩電路的輸入和輸出端的電壓幅度。
測量方法
1、測量設(shè)備和裝置
·  振蕩電路
·  示波器
·  探針
2、將探針連接到MCU (變頻器) 的輸入或輸出端，并且讀出示波器中波形的峰值。
注意
·  用于此種測量的示波器和探針的頻率調(diào)節(jié)能力應(yīng)當(dāng)比測量頻率的高兩倍以上。
·  最好使用高阻抗探針來防止對振蕩電路的影響。
特別是最好避免將無源探針連接到變頻器的輸入端。
經(jīng)驗(yàn)證，示波器裝備的無源探針通常比逆變器輸入阻抗低，而且還會造成振蕩停止。
村田通常使用阻抗為10Mohm/2pF的探針。