石英晶体振荡电路的回路分析与最佳化调整方法

石英晶体振荡电路的回路分析与最佳化调整方法

引文:
石英晶体具有稳定的压电特性,能够提供精准且宽广的参考频率、频率控制、定时功能与过滤噪声等功能。因此,对于电子产品而言,石英晶体扮演着举足轻重的地位。本文将介绍石英晶体振荡线路的回路分析与最佳调整。

石英晶体单元的主要用途之一,就是为电子产品提供计时、参考频率与频率控制等功能。这类应用对于输出频率的准确性有很高的要求,因此为了避免产品出厂后因石英晶体振荡电路系统的偏差,造成某些功能运作失常的现象,越来越多厂商开始重视晶体振荡线路的回路分析,希望了解自己的振荡线路的偏差范围,才能在设计阶段就先进行线路调整,以达到最佳的电气特性匹配。

振荡线路回路分析的目的:
一个晶体振荡线路必然会存在一定范围的误差,问题是如何了解这个误差范围,并将误差值控制在最小的范围以内。

振荡线路主要有三种误差来源:
第一种是石英晶体单元本身就存在有不同的精度(也就是容许误差),例如音叉型晶体的精度从±10 到±100 ppm 都有;而一般 AT 型晶体单元的精度约为±50ppm,高精度晶体单元约为 ±10 ppm。
第二种误差来源是石英晶体的温度特性,也就是频率随温度变化会出现偏差的现象。石英频率会随温度变化而改变,这是因为石英材料在各个坐标轴向的热膨胀系数不同所致。当温度改变时,各轴向晶格距会产生些许变化,造成频率的偏移。我们在定义上会以室温 25℃为相对零点,针对不同类型的晶体产品给出其温频特性。以 AT 型晶体来说其特性是三次方程式的频率对温度特性曲线;kHz 等级的音叉型晶体的特性则为拋物线方程式。在进行最佳化的匹配时,必须针对不同晶体的温度特性来做调整。
石英晶体振荡电路的回路分析与最佳化调整方法_第1张图片
石英晶体频率—温度特性曲线
第三种误差來源來自振荡线路上的外围元器件配置,这些组件包括石英晶体、半导体 IC、外围电阻/电容,以及 PCB 走线。不同的配置方式对于振荡线路的整体误差会有很大的影响,例如电容器的摆放位置,或电容值的选取等,都需妥善的规划,才能得到最佳化的性能表现。进行振荡线路回路分析的目的,就是为了检视石英晶体在整个振荡线路中是否得到理想的匹配。透过回路分析,研发人员可以在线路设计阶段就了解石英晶体振荡线路的匹配狀况,避免在量产后才发生问题,因为再变更设计很不容易。目前许多大厂已将振荡线路的回路分析定义为量产前的标准验证程序之一。避免在量产后才发生振荡线路不起振的问题,或是频偏误差太大等狀况,倒头來还是得透过回路分析帮忙厘清问题 。

回路分析要点:
晶体振荡电路回路分析包含三个基本方面,介绍如下:

  1. 频率容许误差(Frequency Tolerance)的量测:

此项测试在于量测振荡线路电路板上的石英晶体起振后的频率,与所需求的中心频率相差多少,以了解此电路板的频偏误差范围。
频偏误差的计算公式如下:
频偏误差=(量测频率值–中心频率值)/中心频率值 x 1,000,000 (得出的单位为 ppm)
例:如果中心频率值为 32.76800kHz,量测频率值为 32.76824kHz,频率误差则约+7.32ppm。不同的功能会有不同的频率容许误差,以 32.768kHz 石英晶体振荡线路来说,一天误差一秒,则相当于产生±11.57ppm 的频率误差。通常实时频率(RTC)的可接受值介于 0ppm 到+10ppm,其它依功能不同,容许误差可能会有高有低。量测出振荡线的频偏误差是相当重要的,因为若实际输出的频率超出频率容许误差太多,在实际运作上就可能造成系统不可靠的后果。例如 RTC 的时间很容易就变快或变慢、影像可能从彩色变成黑白或通讯系统因无法同步而收不到信号等。

  1. 驱动功率(D.L.,Driver Level):
    驱动功率是指石英晶体单元的消耗功率,其单位是微瓦(μW),可透过量测流经石英晶体的电流,再换算求出它所消耗的功率。功率量测值应该要小于个别晶体组件在规格上所定义的最大值,其计算公式为:
    P (uW)= I^2 x Re
    一个振荡线路在设计上必须提供适当的功率,以让石英晶体单元开始起振并维持振荡。此功率应该越小越好,除了能更为省电外,也和线路的安定性及石英晶体的寿命有关。振荡线路若提供过高的驱动功率,也会使石英晶体的非线性特性发生变化,以及造成石英/电极/接着材料的接口恶化,进而造成振荡频率和等效阻抗的过度变化。当石英晶体长时间在过高的驱动功率下工作,会出现不稳定的现象。以 32kHz 的石英晶体单元来说,当驱动功率过大时,有可能导致内部音叉型晶体的断裂;对于 MHz 等级的 AT 型晶体来讲,则可能产生跳频现象,并影响石英晶体的寿命及可靠度。

  2. 负性阻抗(也称为起振健康度 ):-R
    负性阻抗代表振荡线路的起振余裕狀况,也就是这个线路的健康度,即石英晶体在驱动下容不容易被起振。负性阻抗并非真实发生的阻抗值,而是在石英晶体旁边外加一个电阻(RS),去仿真石英晶体内部的 ESR 被加大时,整个振荡线路是否仍能被正常起振。负性阻抗的量测值越大越好,这表示此一振荡线路越容易被起振;负性阻抗值不足时,则表示此一振荡线路会有起振过慢的现象,甚至可能导致不起振的狀况发生。负性阻抗的判断基本值是石英晶体最大 ESR 值的 3~5 倍(根据Eric Vittoz 的理论(译注:具体可参考Eric A. Vittoz et al., “High-Performance Crystal Oscillator Circuits: Theory and Application”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, No. 3, pp. 774-782, Jun. 1988),放大器和两个外部电容的阻抗对晶振的RLC动态等效电路的电抗有补偿作用)。
    石英晶体振荡电路的回路分析与最佳化调整方法_第2张图片
    回路分析与优化
    在振荡线路中,很重要的一个特性是整个线路上的负载电容(CL,Load Capacitance),
    它是由 gate 端的频率调整电容(C1)、drain 端的频率调整电容(C2)及杂散电容(CS)
    等三个參數共同组成。其中负载电容及兩个频率调整电容是已知的,可以透过下列公式
    求得杂散电容值:
    CL = (C1 // C2 ) + CS
    CL = [ (C1 x C2) / (C1 + C2) ] + CS
    负载电容与线路的频率容许误差、驱动功率以及负性阻抗都有密切关系。为振荡线路进行回路分析的一个重要目的,就是透过兩个频率调整电容的选择,来找出最符合负载电容的搭配。

总结:日常工作中如遇到: 1)谐振器时而起振,时而不起振;
2)用手触摸谐振器引脚或用电烙铁加热之后起振;
3)IC与谐振器的引线过长导致一定比例的停振;
4)过分驱动导致永久性失效等。
以上都可以结合以上晶体测试三要素进行合理的评估与分析。

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