為評估振蕩電路而進行的工作頻率匹配篇(振蕩電路評價方法1）

【序文】

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 存在問題，就會產(chǎn)生頻率不夠穩(wěn)定、停止起振或振蕩不穩(wěn)定等問題。石英晶體單元與微機一起使用時，需要評 估振蕩電路。確認石英晶體單元與振蕩電路的匹配之際，至少要對振蕩頻率（頻率匹配）、振蕩裕度（負阻抗） 和激勵功率的三項進行評估。本次將說明確認石英晶體單元和振蕩電路匹配性的評估工作。

【1】 評估振蕩頻率（頻率匹配）之前的準備

一般，石英晶體生產(chǎn)商基于電路設計方所提出的石英晶體單元振蕩頻率（FL）、負載電容（CL 值）和振蕩頻 率可容誤差(Δf）的三項數(shù)據(jù)，根據(jù)負載電容（CL 值）使晶體單元起振，并調(diào)整振蕩頻率和可容誤差。

需要注意的是，事先指定的負載電容（CL 值）中沒有考慮實際的基板中因各種因素而產(chǎn)生的電容（雜散電 容）。雜散電容是造成振蕩頻率精度下降的因素之一，所以應當考慮到其影響，或者讓石英晶體生產(chǎn)商更改石英 晶體單元的振蕩頻率，或者由電路設計方重新調(diào)整雜散電容。這是振蕩頻率匹配工作的大致框架。

在實際評估匹配之前，請確認評估用石英晶體單元的以下三項參數(shù)：

1.標準負載電容值

負載電容是在振蕩電路中從石英晶體單元的兩端來看振蕩電路時的電容。

原則是電路設計方所指定的數(shù)值。

2.標準負載電容的石英晶體單元振蕩頻率（FL）

振蕩頻率（FL）指以標準負載電容的振蕩電路驅(qū)動石英晶體單元時的振蕩頻率。

使用室溫條件下的數(shù)據(jù)，不考慮雜散電容等因素。

3.石英晶體單元的等效電路常數(shù)

指不考慮等效串聯(lián)阻抗（R1）、等效串聯(lián)電容（C1）、等效串聯(lián)電感（L1）、等效并聯(lián)電容（C0）和負載電容 的石英晶體單元自身的振蕩頻率（Fr）等常數(shù)。

測試石英晶體單元等效電路常數(shù)時通常使用電感測試器或網(wǎng)絡分析儀。使用網(wǎng)絡分析儀測試石英晶體單元 后得出等效電路定數(shù)的方法最為理想。但是， 由于設備不全等原因而不能由電路設計方進行石英晶體單元 的測試時，建議電路設計方向所購買的晶體單元生產(chǎn)商提出測試要求。

【2】 振蕩頻率（頻率匹配）的評估 這里開始進入實際評估工作。

首先確認石英晶體單元（評估用晶體單元）和振蕩電路一起安裝在基板的狀態(tài)下的振蕩頻率。

這被稱為“確認頻率匹配狀況”。掌握安裝在基板上時的振蕩頻率和標準負載電容時的振蕩頻率之差，就能夠確 認基板的實際電容（電路側(cè)電容）與事先指定的標準電容之間所產(chǎn)生的偏差。這里所指的基板電容包括從石英晶 體單元看振蕩電路時的電容（負載電容），也包括起因于基板導電圖案等的雜散電容。

其次準備評估石英晶體單元和振蕩電路的匹配所需測試儀器。

評估所需基本測試儀器有直流電源、頻率計、示波器、FET 探針和電流探針等。圖 1 顯示測試儀器基本組成例。

首先把 FET 探針放在石英晶體單元的 HOT 端子上（圖2），示波器中顯示波形、頻率計顯示頻率。

例如，不考慮負載電容的石英晶體單元的振蕩頻率（Fr）為 12MHz 時，若其標準負載電容時的振蕩頻率（FL） 為 12.000034MHz，假設將該石英晶體單元安裝在基板上后使用 FET 探針實際測試得出的振蕩頻率（FR）為 12.000219MHz，就可以得出兩者（在基板上實裝石英晶體單元后的振蕩頻率（FR ）與標準負載電容時石英晶體 單元的振蕩頻率）之間的差為+185Hz，出現(xiàn)了+15.4ppm 的差異。

這個差越接近零，頻率精度越高。

使上述 FR 和 FL 的差接近零的方法有兩種。

第一種方法是從石英元件生產(chǎn)商處購買振蕩頻率（中心頻率）比現(xiàn)在偏移+15.4ppm 的石英晶體單元。另一種方 法是對振蕩電路的負載電容進行微調(diào)整，以此得到相應的振蕩頻率。

在下一項中將介紹對負載電容進行微調(diào)整的匹配方法。

【3】 對負載電容進行微調(diào)整來匹配頻率的方法 計算負載電容時需要前述的數(shù)據(jù)。

·石英晶體單元等效電路常數(shù)（Fr、R1 、C1 、L1 、C0）

·實裝在基板后的振蕩頻率（FR）

根據(jù)這些數(shù)據(jù)使用以下算式計算負載電容（CL）。

算式(1)

具體計算舉例如下：

假設石英晶體單元的額定頻率為 12MHz，振蕩電路的負載電容（CL）為 7.8pF。 這里的額定頻率指使用規(guī)定負載電容的振蕩電路的條件下的振蕩頻率（FL）。

假定用網(wǎng)絡分析儀對該石英晶體單元進行測試后得到了下列各常數(shù)：

FR=12.000219 MHz

Fr＝11.998398 MHz

R1＝33.7 ohm L1＝70.519 mH C1=2.495 fF

C0=1.11 pF

這里重申 Fr 是石英晶體單元自身的振蕩頻率。把這些常數(shù)代入算式（1）就可以求出 CL=7.11pF。

從求出的值可以得出與先前所指定的振蕩電路負載電容（CL）等于 7.8pF 之間的差為 0.69pF。只要把差調(diào)整到零， 事先所指定的振蕩電路負載電容就與在印制基板上實裝石英晶體單元時的電容相等。

因此，理論上頻率公差也變?yōu)榱悖憧傻玫绞孪人付ǖ恼袷庮l率。

實際調(diào)整振蕩電路的負載電容時，將變更圖 3 的 Cg 和 Cd ，以符合事先指定的標準電容。這時， Cg 和 Cd 的大致數(shù)值可以使用下列算式（2）計算得出。

這里的 Ci 表示振蕩電路的實際負載電容（CL），Cs 則表示印制基板的導線圖案和部品的寄生電容等。Ci 只要等于 事先指定的標準電容 CL（晶體單元單體電容 CL）即可，所以可以使用下列算式（3）和算式（4）算出。

Cg 和 Cd 是從規(guī)定的晶體單元單體負載電容減去 Cs 后的數(shù)值。計算得出的只是大致數(shù)值。實際調(diào)整 Cg 和 Cd 時建 議邊確認振蕩頻率邊進行頻率匹配。

如果振蕩電路的 Cg 和 Cd 難以變更，可以通過調(diào)整晶體單元的負載電容進行頻率匹配。這種情況下可以讓石英 晶體單元生產(chǎn)商把晶體單元電容調(diào)整為電路電容后購買，再對其進行匹配評估確認結(jié)果。但需要注意的是，電路 的負載電容與振蕩頻率變化量成反比。因此，當振蕩電路的負載電容較小時，容易受到振蕩電路微小的特性變化 的影響，導致頻率穩(wěn)定度惡化。所以，關鍵在于根據(jù)機器用途而設定適宜條件。