如何測量石英晶體的驅(qū)動電平

了解為什么石英晶體振蕩器的驅(qū)動電平很重要，以及如何測量它的幾種方法。

驅(qū)動電平是指晶體中耗散的功率量。 晶體具有機械振動。 較高的驅(qū)動電平會將振動幅度增加到不可接受的水平，并造成不良影響。 為了限制這些振動，晶體中的功耗不應超過制造商指定的值。

典型驅(qū)動電平值在100 μW范圍內(nèi)。 使用較小的表面貼裝晶體，額定驅(qū)動電平可以更?。s10 μW）。

在本文中，我們將介紹可用于測量晶體功率電平的測試設置和相關方程。

驅(qū)動器級別依賴關系

增加驅(qū)動電平會導致晶體的運動阻力和頻率增加。 這種效應通常稱為驅(qū)動器級依賴關系 （DLD），如圖 1 所示。

***圖1. *晶體運動阻力和頻率與驅(qū)動電平的關系。 圖片由 瑞薩電子.

極低的驅(qū)動電平也會使晶體的串聯(lián)電阻增加到使振蕩器無法啟動的值。 由于這種效應，給定的晶體有時會成功啟動，有時會失敗。

這些晶體有時被稱為“沉睡晶體”。 有趣的是，一段時間不活躍的晶體也可能表現(xiàn)出遠高于額定值的大串聯(lián)電阻。 這也可能導致晶體偶爾無法啟動。 可能導致這種影響的不活動期可能是數(shù)小時到數(shù)周，具體取決于晶體質(zhì)量。

超速駕駛會造成嚴重損壞

超過規(guī)定的驅(qū)動電平可能會導致一些不良影響。 它會縮短器件壽命，引起振蕩頻率波動，并降低穩(wěn)定性。 圖2顯示了超過最大驅(qū)動電平如何改變晶體的頻率與溫度響應。

***圖2. *超過最大驅(qū)動電平對晶體頻率和溫度響應的影響。 圖片由 拉創(chuàng).

在本例中，額定功率為10 μW的晶體在500 μW時過驅(qū)動。 我們觀察到的溫度響應不穩(wěn)定，而不是平滑的頻率與溫度曲線。 在明顯更高的功率水平下（例如，在額定值的10倍時），過驅(qū)動會對晶體造成不可逆轉的損壞。

使用電流探頭測量驅(qū)動電平

由于不能直接測量晶體驅(qū)動電平，因此我們需要測量電路量，例如電壓或電流，并使用晶體電模型來近似其功率電平。 這等效電路晶體如圖3所示。

圖3. 晶體的等效電路。 圖片由意法半導體

我們只需要找到該網(wǎng)絡在諧振時的有效電阻，并測量晶體電流即可計算驅(qū)動電平。 這負載電容 C 時的晶體等效串聯(lián)電阻 （ESR）L 由以下人員給出：

驅(qū)動器級別可通過以下方式獲得：

等式 1

我在哪里Q， RMS 表示流過晶體的均方根電流。 如圖4所示，電流探頭可用于測量晶體電流。

***圖4. ***使用電流探頭測量晶體電流

晶體電流通常是正弦或鋸齒形的。 圖6顯示了一個電流波形近似正弦的示例。

圖6. 流過晶體的電流。 圖片由 愛普生.

對于正弦波形，我們可以應用以下公式從峰峰值（I Q， p-p ):

對于鋸齒波形，RMS值由下式給出：

根據(jù)波形類型，應使用這兩個公式之一從峰峰值中找到RMS值。 然后，我們可以代入公式1中的RMS電流并計算驅(qū)動電平。

插入串聯(lián)電阻以測量晶體電流

如果沒有電流探頭，我們可以暫時放置一個小電阻與晶體串聯(lián)，并使用差分探頭測量電阻兩端的電壓。

有了電阻值和壓降，我們可以找到晶體電流。 如圖 7 所示。

***圖7. *表示用于查找晶體電流的設置。 圖片由美信集成.

為了確保電阻足夠小并且不會產(chǎn)生明顯的測量誤差，請Maxim集成應用筆記建議我們稍微增加電阻值，并驗證檢測的電流幾乎沒有變化。 在本例中，電阻值從10 Ω更改為20 Ω。

通過測量放大器輸入電壓找到驅(qū)動電平

在這種情況下，放大器輸入端的RMS電壓（V 在，RMS ） 通過低電容示波器探頭（小于 1 pF）測量。

***圖8. ****使用示波器探頭測量 *放大器輸入端的均方根電壓

有V 在，RMS ，我們可以計算流過C的電流L2 如：

為了更準確地說，我們還可以包括寄生效應和替代CL2 與 C總 給出如下：

其中 C流浪和 C探針分別是雜散電容和探頭電容。流入放大器輸入端的電流遠小于流過該總電容的電流。因此，我們可以假設流過晶體的總電流等于流過C的電流 總 .這為我們提供了以下驅(qū)動級別：

假設放大器輸入端的電壓波形是正弦的，我們可以使用

并將驅(qū)動器級別計算為：

通過測量晶體電壓找到驅(qū)動電平

為了徹底起見，我想提一下有時用于計算驅(qū)動電平的另一個方程。 該方法基于測量晶體兩端的電壓。

我們知道，在共振時，晶體模型中運動分支阻抗的大小（L 的串聯(lián)組合 m ， Cm和 R m ） 等于 C 并聯(lián)組合的阻抗大小L 和 C 0 .因此，我們可以通過以下方式近似流經(jīng)運動臂的RMS電流：

其中 V水晶，有效值 表示在晶體兩端測得的均方根電壓。 驅(qū)動器級別可通過以下方式找到：

假設晶體電壓是峰值為V 的正弦波形 p ，我們可以代入 V~水晶，有效值 ~跟 在p√2在p2 并獲得以下等式：

這 CC26xx 和 CC13xx 系列無線 MCUTI 提供返回晶體振蕩電壓幅度（以 mV 為單位）的功能。 有了振蕩幅度，我們可以很容易地應用上述公式，并在操作過程中找到晶體驅(qū)動電平。 如果超過額定驅(qū)動水平，我們需要重新檢查我們的設計，以避免任何晶體可靠性問題。