為了獲得穩(wěn)定的振蕩，通常情況下石英晶體單元與振蕩電路的匹配十分重要。若電路結(jié)構(gòu)與晶體單元的匹配中存在問(wèn)題，就會(huì)產(chǎn)生頻率不夠穩(wěn)定、停止起振或振蕩不穩(wěn)定等問(wèn)題。

石英晶體單元與微機(jī)一起使用時(shí)需要評(píng)估振蕩電路。確認(rèn)該石英晶體單元與振蕩電路的匹配之際，至少要對(duì)振蕩頻率（頻率匹配）、振蕩裕度（負(fù)阻抗）和激勵(lì)功率的三項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估。

我們?cè)谏掀幸呀?jīng)說(shuō)明了有關(guān)頻率匹配的內(nèi)容，這次將解說(shuō)振蕩裕度（負(fù)阻抗）和激勵(lì)功率的評(píng)估方法。

-振蕩裕度（負(fù)阻抗）的評(píng)估-

丨以測(cè)試MHz級(jí)為例丨

在石英晶體單元的HOT端子插入阻抗后檢測(cè)是否起振（測(cè)試負(fù)阻抗RN），是評(píng)估振蕩電路的負(fù)阻抗特性與振蕩裕度的簡(jiǎn)單方法。

振蕩電路的能力可以通過(guò)改變插入的阻抗值（損失的大小）進(jìn)行測(cè)試。

圖1：測(cè)試負(fù)阻抗的電路圖

負(fù)阻抗的絕對(duì)值等于所插入的阻抗值r和石英晶體單元連接負(fù)載時(shí)的等效阻抗（Re）之和——算式（1）

| -RN|=插入阻抗r+Re

算式（1）

石英晶體單元連接負(fù)載時(shí)的等效阻抗（Re）用以下算式（2）求出。

R1是石英晶體單元無(wú)負(fù)載電容時(shí)的等效串聯(lián)阻抗。

算式（2）

例如：

石英晶體單元常數(shù)（R1=33.7Ω、C0=1.11pF、CL=7.8pF）代入上述算式（2）后可算出等效阻抗（Re）約為44Ω。

這時(shí)的R1是石英晶體單元的實(shí)測(cè)值，而不是參數(shù)值。如果R1 的最大值是57Ω，Re受負(fù)載電容的影響而增加到74Ω，請(qǐng)注意。

通常來(lái)說(shuō)，規(guī)格書會(huì)標(biāo)明R1最大值（也有稱呼為ESR值，等效電阻的意思）。

圖2：插入阻抗測(cè)試負(fù)阻抗的情景

表1：基于負(fù)阻抗計(jì)算振蕩裕度（RN/Re）之例

在圖2的狀態(tài)下用示波器確認(rèn)波形。逐漸增大插入的阻抗值r，尋找不起振的阻抗點(diǎn)。這時(shí)忽略因插入阻抗而引起的振蕩輸出下降和振蕩頻率的變化，只單純判定是否起振。決定負(fù)阻抗RN之后，計(jì)算振蕩裕度RN/Re（上述表1）。需要注意的是振蕩裕度低將引發(fā)各種不良現(xiàn)象，例如因電路特性不均而造成的振蕩不穩(wěn)定、不起振或起振時(shí)間變長(zhǎng)等。

振蕩裕度為5倍以上時(shí)，意味著振蕩電路具備激勵(lì)石英晶體單元的足夠能力（增幅度），通常不會(huì)發(fā)生問(wèn)題。如果振蕩裕度在5倍以下，則建議變更振蕩電路的電路常數(shù)，或者增大負(fù)阻抗RN，或者減小石英晶體單元的等效串聯(lián)阻抗Re，使振蕩裕度保持在5倍以上。

雖然降低微調(diào)電容器（Cg、Cd）或限流電阻（Rd）等振蕩電路的電路常數(shù)可使負(fù)阻抗變大，振蕩裕度也將隨之變大，但需要提醒的是，振蕩電路的負(fù)載電容隨著電路常數(shù)的變化而變，這將促使振蕩頻率也出現(xiàn)變化。欲降低石英晶體單元的等效串聯(lián)電阻R1時(shí)，需要向石英晶體生產(chǎn)商提出要求。

-激勵(lì)功率的評(píng)估-

丨以測(cè)試MHz級(jí)為例丨

激勵(lì)功率指石英晶體單元振蕩時(shí)所消耗的電力。通常，激勵(lì)功率最好控制在石英晶體單元的規(guī)格參數(shù)內(nèi)，一般在約100μW以下，但需注意的是各石英晶體生產(chǎn)商之間略有不同。

激勵(lì)功率過(guò)大時(shí)將引起振蕩頻率的變動(dòng)、穩(wěn)定度下降、等效電路參數(shù)變化或頻率失真等現(xiàn)象。激勵(lì)功率偏高還可能導(dǎo)致反復(fù)出現(xiàn)異常振蕩、引發(fā)故障的惡果。激勵(lì)功率（P）用下列算式（3）求出。

算式（3）

這里的I是流過(guò)石英晶體單元的電流，Re 是石英晶體單元帶負(fù)載時(shí)的等效電阻。如果激勵(lì)功率超過(guò)了規(guī)格參數(shù)，就需要調(diào)整振蕩電路的常數(shù)，使流過(guò)石英晶體單元的電流變小。降低Cg或Cd可使激勵(lì)功率變小，但振蕩電路的負(fù)載電容也將隨之而變。最簡(jiǎn)單的方法是增大Rd，但損失將隨之增大、負(fù)阻抗將變小。激勵(lì)功率不能直接測(cè)定。把測(cè)試針?lè)旁谂c振蕩電路相組合的石英晶體單元HOT端子，用示波器測(cè)試施加電Vpp，基于實(shí)測(cè)值計(jì)算流過(guò)石英晶體單元的電流。

圖3：測(cè)試激勵(lì)功率的情景

把電流探針插在評(píng)估用石英晶體單元的端子上后，裝到印制板的石英晶體單元部。通過(guò)示波器確認(rèn)振蕩后，根據(jù)波形測(cè)出Vpp。

例如，假設(shè)從示波器的波形得出Vpp=0.205V、測(cè)試探針的設(shè)定為1mA/div、探針阻抗為50Ω、示波器的測(cè)試量程為50mV/div以及石英晶體單元帶負(fù)載時(shí)等效電阻Re為45Ω，那么

Vpp/50[mV/div]=205/50=4.1div

4.1/（2√2）=1.45div

50[mV/div]/50Ω=1mA/div，

由此得出流過(guò)石英晶體單元的電流I為1.45div×1mA/div=1.45mA。

根據(jù)前頁(yè)算式（3）計(jì)算得出激勵(lì)功率P為1.45×1.45×45=95μW。

- 結(jié)尾 -

我們分兩次解說(shuō)了振蕩電路的評(píng)估方法，制作最佳振蕩電路需要對(duì)（1）頻率匹配、（2）振蕩裕度（負(fù)阻抗）和（3）激勵(lì)功率分別進(jìn)行最佳化。

雖然對(duì)上述任意一項(xiàng)均設(shè)定最佳電路常數(shù)的做法最為理想，但實(shí)際工作中也會(huì)出現(xiàn)不適合的情況。我們?cè)谧詈髤R總了這時(shí)的應(yīng)對(duì)方法。

A 使用評(píng)估時(shí)的電路常數(shù)即可。

B 需要重審有關(guān)激勵(lì)功率的石英晶體單元規(guī)格參數(shù)。請(qǐng)確認(rèn)本次評(píng)估結(jié)果的激勵(lì)功率是否影響石英晶體單元。

C 需要重審有關(guān)負(fù)阻抗的石英晶體單元規(guī)格參數(shù)。請(qǐng)考慮能否變更石英晶體單元等效串聯(lián)阻抗的規(guī)格參數(shù)R1，使振蕩裕度達(dá)到5 倍以上。

D 關(guān)于頻率匹配，需要考慮把事先規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容調(diào)整到裝配石英晶體單元的實(shí)際基板的負(fù)載電容。

E 需要采取組合“B＋C＋D”的應(yīng)對(duì)方法。

F 需要采取組合“B＋C”的應(yīng)對(duì)方法。

G 需要采取組合“B＋D”的應(yīng)對(duì)方法。

H 需要采取組合“C＋D”的應(yīng)對(duì)方法。

審核編輯 黃昊宇