【無(wú)線射頻技術(shù)】-石英晶體振蕩子的基礎(chǔ)知識(shí)

1/1石英晶體振蕩子的基礎(chǔ)知識(shí)一、基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)

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)生肯定頻率的元件。

隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，以前只能用大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才能處理的各種機(jī)器掌握，現(xiàn)在也可以使用1個(gè)IC或LSI進(jìn)行掌握。IC、LSI的操作中，時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)不行欠缺，晶體振蕩子可以生成時(shí)鐘，并且具有高波段穩(wěn)定性、無(wú)需調(diào)成、小尺寸的特點(diǎn)?，F(xiàn)在，晶體振蕩子被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)，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(gè)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(jì)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(jì)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(gè)點(diǎn)的斜率就是拉敏性。

參見(jiàn)下圖。在負(fù)載電容為6pF時(shí)，拉敏性是-17ppm/pF。(負(fù)載電容變化1pF時(shí)，頻移為17ppm)

也可用下述公式進(jìn)行計(jì)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(shí)，導(dǎo)納靠近原點(diǎn)。

在頻率增加時(shí)，導(dǎo)納按順時(shí)針?lè)较虍媹A。

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(yǔ)。

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)。

村田推舉維持5倍或更大的振蕩裕量。

具體內(nèi)容請(qǐng)參閱"振蕩裕量說(shuō)明'。

負(fù)阻(-R)

負(fù)阻是用阻抗表示的振蕩電路信號(hào)放大力量。

由于其作用與電阻相反，所以是負(fù)值。

負(fù)阻肯定值小說(shuō)明振蕩電路的放大力量低。

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(dòng)功率

驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率超額時(shí)，頻率時(shí)間性能會(huì)消失不正常特性。在設(shè)計(jì)振蕩電路時(shí)，最好檢查一下驅(qū)動(dòng)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(規(guī)律逆變電路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(guò)石英晶體反饋才能選擇并放大共振頻率的信號(hào)。

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(huì)轉(zhuǎn)變振蕩特性。

因此，必需組成適當(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。

必需要知道的是，由于MCU、PCB和外部負(fù)載電容的不同，實(shí)際振蕩頻率會(huì)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。通常依據(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(méi)有集成在MCU上時(shí)，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，必需留意振蕩裕量，由于超額的阻尼電阻會(huì)引起振蕩停止。

通常阻尼電阻的使用范圍是從0到2k，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)分于負(fù)載電容"Cs'。

通常將兩個(gè)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(yǔ)。該裕量是以石英晶體電阻為基礎(chǔ)的比值，表明振蕩電路放大力量的大小。理論上來(lái)說(shuō)，在裕量大于或等于1時(shí)，振蕩電路可以運(yùn)行。但是，在振蕩裕量接近1時(shí)，由于振蕩啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等緣由，模塊運(yùn)行可能會(huì)失敗?？梢酝ㄟ^(guò)增加振蕩裕量來(lái)解決此類問(wèn)題。

計(jì)算

可以使用如下方法計(jì)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(qǐng)參考石英晶體名目或數(shù)據(jù)表中的R1spec值。

可以測(cè)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(cè)量方法

1、測(cè)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(cè)量?jī)x器(示波器、頻率計(jì)數(shù)器或是其它可以觀看振蕩的儀器)

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、假如2)證明有振蕩，就增大電阻。假如沒(méi)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(cè)量振蕩頻率。

6、通過(guò)以下公式計(jì)算有效電阻RL

7、通過(guò)以下公式計(jì)算負(fù)阻|-R|:

簡(jiǎn)潔方法

1、我們用簡(jiǎn)潔方法來(lái)查看一下振蕩裕量是否超過(guò)5倍。

預(yù)備一個(gè)石英晶體等效串聯(lián)電阻額定電阻5倍的電阻器。

將預(yù)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、推斷

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。

假如振蕩電路不工作，振蕩停止裕量可能小于5倍。

在振蕩停止裕量小于5倍時(shí)，最好減小阻尼電阻或是外部負(fù)載電阻。

推斷

請(qǐng)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(lái)說(shuō)，假如振蕩裕量大于或等于1倍，應(yīng)通過(guò)振蕩電路是否工作來(lái)考慮振蕩裕量的變化。

假如振蕩裕量較低，很可能會(huì)消失振蕩故障。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。

留意

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(shí)，最好檢查一下振蕩裕量。

最好對(duì)串聯(lián)的電阻器進(jìn)行評(píng)估。請(qǐng)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(huì)造成模塊無(wú)法正確工作。

在測(cè)量中應(yīng)當(dāng)使用夾具和插座，但是它們的雜散會(huì)對(duì)振蕩裕量產(chǎn)生影響。

三、驅(qū)動(dòng)功率

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

計(jì)算

按如下方法計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率:

驅(qū)動(dòng)功率=I2?R1

I:驅(qū)動(dòng)功率[有效值]

R1:石英晶體的等效串聯(lián)電阻

驅(qū)動(dòng)功率是指在振蕩電路工作時(shí)通過(guò)石英晶體的電流。可以在實(shí)際振蕩電路上測(cè)量勵(lì)樣子電流。

可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器來(lái)測(cè)量R1。

測(cè)量實(shí)例

1、測(cè)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供應(yīng)電壓，并在示波器上觀看勵(lì)樣子電流波形。

4、計(jì)算勵(lì)樣子電流的有效值

假如波形是正弦波或與之類似的波形，就使用Ip-p/22計(jì)算有效值數(shù)字示波器具有讀取有效值的功能。

5、通過(guò)上述公式計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率。

推斷

測(cè)量的驅(qū)動(dòng)功率不應(yīng)超過(guò)石英晶體規(guī)格的驅(qū)動(dòng)功率。

只測(cè)量通過(guò)石英晶體的電流。所以應(yīng)將電流探針?lè)庞贏點(diǎn)。

振蕩電路:正常條件

從水晶盤的一側(cè)脫焊，并通過(guò)穿過(guò)電流探針的引線連接到PCB上。

連接電流探針

四、振動(dòng)頻率

振動(dòng)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(dòng)頻率由石英晶體打算，并受MCU、外部負(fù)載電容、PCB雜散電容等的影響。

測(cè)量方法

振動(dòng)頻率通過(guò)以下方程來(lái)計(jì)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(cè)量方法1

1、測(cè)量設(shè)備和裝置

振蕩電路

頻率計(jì)數(shù)器

放大器(或是帶有輸出信號(hào)的示波器)

探針

2、根據(jù)下圖所示預(yù)備測(cè)量設(shè)備。請(qǐng)盡可能延長(zhǎng)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(jì)數(shù)器上讀取頻率。

留意

請(qǐng)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(huì)降低。

請(qǐng)留意，示波器中顯示的頻率精度是不夠的。

請(qǐng)留意數(shù)字示波器因量化誤差而產(chǎn)生的采樣率或平均數(shù)。

測(cè)量方法2

1、測(cè)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、根據(jù)下圖預(yù)備測(cè)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。

留意

請(qǐng)不要讓天線觸碰振蕩電路。

請(qǐng)使用小量程的光譜分析儀測(cè)量響應(yīng)，以提高精度。

留意

測(cè)量頻率時(shí)，為了防止對(duì)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。

假如探針接觸振蕩電路聯(lián)通探針電容，會(huì)使振蕩頻率偏移。

振蕩電路:使用計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率

振蕩電路:通過(guò)光譜分析儀測(cè)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(cè)量方法

1、測(cè)量設(shè)備和裝