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石英晶振振蕩線路中負性阻抗的探究

振蕩線路回路分析的目的:


一個晶體振蕩電路必然會存在一定範圍的誤差,問題是如何了解這(zhè)個誤差範圍,并將(jiāng)誤差值控制在最小的範圍以内。


振蕩電路主要有三種(zhǒng)誤差來源:


第一種(zhǒng):石英晶體單元本身就存在有不同的精度(也就是容許誤差)。


第二種(zhǒng):誤差來源是石英晶體的溫度特性,也就是頻率随溫度變化會出現偏差的現象。


圖1:石英晶體頻率—溫度特性曲線

第三種(zhǒng):誤差來源來自振蕩電路上的外圍元器件配置,這(zhè)些組件包括石英晶體、半導體IC、外圍電阻/電容,以及PCB走線。

進(jìn)行振蕩電路回路分析的目的,就是爲了檢視石英晶體在整個振蕩電路中是否得到理想的匹配。透過(guò)回路分析,研發(fā)人員可以在電路設計階段就了解石英晶體振蕩電路的匹配狀況,避免在量産後(hòu)才發(fā)生問題,因爲再更改設計很不容易。

  

回路分析要點


振蕩電路回路分析包含三個基本的面(miàn)向(xiàng),介紹如下:

1.頻率容許誤差(Frequency Tolerance)的量測:

頻偏誤差的計算公式如下:

頻偏誤差=(量測頻率值–中心頻率值)/中心頻率值x 1,000,000(得出的單位爲ppm)。

2. 驅動功率(D.L.,Driver Level):

計算公式爲: P (uW)= I^2 x Re

3. 負性阻抗(也稱爲起(qǐ)振餘量):-R

負性阻抗代表振蕩線路的起(qǐ)振餘量狀況,也就是這(zhè)個電路的健康度,即石英晶體在驅動下容不容易被起(qǐ)振。負性阻抗的判斷基本值是石英晶體最大ESR值的3~5倍。

實際操作的時候主要改變負載電容的匹配,那幺我們來看一下負載電容和各項參數的關系:


負載電容與頻率容許誤差的關系圖:電容變大,頻率變慢;電容變小,頻率變快

負載電容與驅動功率的關系圖:當負載電容變小時,驅動功率也會變小


負載電容與負性阻抗的關系圖:當負載電容變小時,負性阻抗會變大
[案例分析]

客戶在應用MC-146的過(guò)程中發(fā)現會有10%左右的晶體起(qǐ)振時間過(guò)長(cháng)、甚至不起(qǐ)振的現象發(fā)生。需要對(duì)電路設計進(jìn)行測試來找到問題的原因和解決方法。


根據客戶提供參數測試得到如下數據:


從測試結果看客戶初始選擇Cl=12.5pF的MC-146進(jìn)行設計,匹配電容C174=C175=18Pf, 測得精度爲+4.4 ppm滿足應用要求。同時DL= 0.119W也小于0.5 W的要求。但是我們看到–R值爲220 k不滿足–R》5* ESR的要求。 該設計存在起(qǐ)振緩慢或停振的風險,因此需要對(duì)回路的器件參數進(jìn)行重新設定。


重新設定的原則是:使振蕩回路得到的參數指标都(dōu)滿足設計要求。

經(jīng)過(guò)測試發(fā)現 Cl=12.5pF 的MC-146 在該系統的所有情況下都(dōu)不能(néng)滿足全部的參數要求,因此需要更換晶體單元。

結果顯示當使用Cl=7 pF 的MC-146 的時候,匹配電容C174=7pF C175=6 pF, 測得精度爲+3.8 ppm 滿足應用要求。同時 DL= 0.081?W 也小于0.5W的要求。-R值爲1000 k遠遠大 5倍ESR(325 k)。因此推薦客戶使用該參數匹配的電路設計,可以保證得到穩定可靠的時鍾頻率。