振蕩電路評估方法（2）為評估振蕩電路而進(jìn)行的工作（振蕩裕度與激勵功率篇）

【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(jī)一起使用時(shí)需要評估振蕩電路。確認(rèn)該石英晶體單元與振蕩電路的匹配之際，至少要對振蕩頻率（頻率匹配）、振蕩裕度（負(fù)阻抗）和激勵功率的三項(xiàng)進(jìn)行評估。我們在上篇中已經(jīng)說明了有關(guān)頻率匹配的內(nèi)容，這次將解說振蕩裕度（負(fù)阻抗）和激勵功率的評估方法。

【1】 振蕩裕度（負(fù)阻抗）的評估

在石英晶體單元的 HOT 端子插入阻抗后檢測是否起振（測試負(fù)阻抗 RN），是評估振蕩電路的負(fù)阻抗特性與振蕩裕度的簡單方法。振蕩電路的能力可以通過改變插入的阻抗值（損失的大小）進(jìn)行測試。

圖 1 是測試負(fù)阻抗的電路圖。負(fù)阻抗的絕對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）.

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是石英晶體單元無負(fù)載電容時(shí)的等效串聯(lián)阻抗。

使用在上次《振蕩電路評估方法（1）》中所介紹的石英晶體單元常數(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）為 44Ω。

這時(shí)的 R1是石英晶體單元的實(shí)測值，而不是參數(shù)值。假設(shè) R1的最大值是 57Ω，Re 受負(fù)載電容的影響而

增加到 74?，請注意。

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)間變長等。

振蕩裕度為 5 倍以上時(shí)，意味著振蕩電路具備激勵石英晶體單元的足夠能力（增幅度），通常不會發(fā)生問題。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。

【2】 激勵功率的評估

激勵功率指石英晶體單元振蕩時(shí)所消耗的電力。通常，激勵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。

激勵功率過大時(shí)將引起振蕩頻率的變動、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。激勵功率（P）用下列算式（3）求出。

這里的 I 是流過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。如果激勵功率超過了規(guī)格參數(shù)，就需要調(diào)整振蕩電路的常數(shù)，使流過石英晶體單元的電流變小。降低 Cg 或 Cd 可使激勵功率變小，但振蕩電路的負(fù)載電容也將隨之而變。最簡單的方法是增大 Rd，但損失將隨之增大、負(fù)阻抗將變小。

激勵功率不能直接測定。

把測試針放在與振蕩電路相組合的石英晶體單元 HOT 端子，用示波器測試施加電壓 Vpp，基于實(shí)測值計(jì)算流過石英晶體單元的電流。

圖 3 表示測試激勵功率時(shí)的情景。

把電流探針插在評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。通過示波器確認(rèn)振蕩后，根據(jù)波形測出 Vpp。

圖 3：測試激勵功率的情景

例如，假設(shè)從示波器的波形得出 Vpp=0.205V、測試探針的設(shè)定為1mA/div、探針阻抗為 50Ω、示波器的測試量程為 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，

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

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

【3】結(jié)尾

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

雖然對上述任意一項(xiàng)均設(shè)定最佳電路常數(shù)的做法最為理想，但實(shí)際工作中也會出現(xiàn)不適合的情況。我們在最后匯總了這時(shí)的應(yīng)對方法。

A???使用評估時(shí)的電路常數(shù)即可。

B???需要重審有關(guān)激勵功率的石英晶體單元規(guī)格參數(shù)。請確認(rèn)本次評估結(jié)果的激勵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)對方法。

F???需要采取組合“B＋C”的應(yīng)對方法。

G???需要采取組合“B＋D”的應(yīng)對方法。

H???需要采取組合“C＋D”的應(yīng)對方法。

謹(jǐn)望上次及本次的信息能成為設(shè)計(jì)高可靠振蕩電路之際的參考。