有些人以為,只要選用的晶體頻率是正確的,就能獲取自己需要的振蕩頻率,但事實(shí)并不是這樣的,晶體只是振蕩電路的一個(gè)組件,整個(gè)振蕩電路產(chǎn)生的頻率并不是完全由晶體決定,晶體匹配電路十分重要。若電路結(jié)構(gòu)與晶體單元的匹配中存在問題,就會(huì)產(chǎn)生頻率偏移或不振蕩等問題。石英晶體在使用時(shí),一定需要評(píng)估振蕩電路,以確認(rèn)石英晶體振蕩頻率的準(zhǔn)確性,下面將說明如何來做晶體單元和振蕩電路匹配的評(píng)估。
一、 評(píng)估振蕩頻率之前的準(zhǔn)備
一般,石英晶體生產(chǎn)商基于電路設(shè)計(jì)方所提出的晶體振蕩頻率(FL)、負(fù)載電容(CL值)和振蕩頻率可容誤差(Δf)的三項(xiàng)數(shù)據(jù),根據(jù)負(fù)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(fù)載電容(CL值)中沒有考慮實(shí)際的PCB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(yīng)當(dāng)考慮到其影響,或者讓石英晶體生產(chǎn)商更改晶體的振蕩頻率,或者由電路設(shè)計(jì)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(shí)際評(píng)估匹配之前,請(qǐng)確認(rèn)晶體的以下三項(xiàng)參數(shù):
1. 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容值
晶體負(fù)載電容是晶體的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和。
2. 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容的晶體振蕩頻率(FL)
振蕩頻率(FL)指在室溫下以標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容的振蕩電路驅(qū)動(dòng)石英晶體單元時(shí)的振蕩頻率。
3. 石英晶體單元的等效電路常數(shù)
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(fù)載電容的石英晶體單元自身的振蕩頻率(Fr)等常數(shù)。 測(cè)試石英晶體單元等效電路常數(shù)時(shí)通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀。
二、 振蕩頻率(頻率匹配)的評(píng)估
1. 確認(rèn)晶體安裝在PCB板上后產(chǎn)生的振蕩頻率和供應(yīng)商提供的CL參數(shù)的差值,就能夠確認(rèn)PCB板上的實(shí)際電容與事先指定的標(biāo)準(zhǔn)電容之間所產(chǎn)生的偏差。這里所指的PCB板電容包括晶體負(fù)載電容和PCB雜散電容之和。
2. 其次準(zhǔn)備評(píng)估石英晶體單元和振蕩電路的匹配所需測(cè)試儀器。評(píng)估所需基本測(cè)試儀器有直流電源、頻率計(jì)、示波器、FET 探針等。
首先測(cè)試出振蕩電路的頻率。若其標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容時(shí)的振蕩頻率(FL)為 12.000034MHz,假設(shè)將該晶體安裝在基板上后實(shí)際測(cè)試得出的振蕩頻率(FR)為12.000219MHz,就可以得出兩者之間的差為+185Hz,出現(xiàn)了+15.4ppm 的差異。 這個(gè)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:
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 的晶體;
對(duì)振蕩電路的負(fù)載電容進(jìn)行微調(diào)整,以此得到相應(yīng)的振蕩頻率。
三、 對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行微調(diào)整來匹配頻率的方法
電路中負(fù)載電容的變化會(huì)引起晶體頻率的偏移,偏移圖如圖三
頻率隨負(fù)載電容變化
計(jì)算負(fù)載電容時(shí)需要的數(shù)據(jù):
石英晶體單元等效電路常數(shù)(Fr、R1、C1、L1、C0)
實(shí)裝在基板上的振蕩頻率(FR)
根據(jù)這些數(shù)據(jù)使用以下算式計(jì)算負(fù)載電容(CL)。
具體計(jì)算舉例如下:
假設(shè)石英晶體單元的額定頻率為 12MHz,振蕩電路的負(fù)載電容(CL)為 7.8pF。 這里的額定頻率指使用規(guī)定負(fù)載電容的振蕩電路的條件下的振蕩頻率(FL)。 假定用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該石英晶體單元進(jìn)行測(cè)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(fù)載電容(CL) 7.8pF 之間的差為 0.69pF。只要把差調(diào)整到零,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(shí)際調(diào)整振蕩電路的負(fù)載電容時(shí),將變更圖 3的 Cg和 Cd,以符合事先指定的標(biāo)準(zhǔn)電容。這時(shí),Cg和 Cd的大致數(shù)值可以使用下列算式(2)計(jì)算得出。
振蕩電路負(fù)載電容(Cg與Cd)
這里的 Ci表示振蕩電路的實(shí)際負(fù)載電容(CL),Cs是寄生電容。Ci只要等于事先指定的標(biāo)準(zhǔn)電容 CL(晶體CL)即可,所以可以使用下列算式(3)和算式(4)算出。
一般應(yīng)用來說(對(duì)起振時(shí)間,起振能力有特殊要求的除外),Cg=Cd。那么Cg=Cd=(CL-CS)/2。
如果振蕩電路的 Cg和 Cd難以變更,可以改變通過晶體的負(fù)載電容進(jìn)行匹配。讓晶體生產(chǎn)商把晶體CL參數(shù)調(diào)整為你的電路電容,再對(duì)其進(jìn)行匹配評(píng)估確認(rèn)結(jié)果。
在確定Cd和Cg時(shí),需要注意以下方面:
1. 當(dāng)振蕩電路的Cd和Cg較小時(shí),負(fù)載電容的微小變化就會(huì)導(dǎo)致頻率的急劇變化,這會(huì)導(dǎo)致頻率穩(wěn)定度惡化。
2. Cd和Cg較大時(shí),振蕩電路的負(fù)性阻抗會(huì)小,起振時(shí)間會(huì)變大或?qū)е虏黄鹫瘛?/p>
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