爱普生石英晶体谐振器电路设计暨测试验证介绍(3)

【第四部】振荡频率测量

 振荡器设计于电路中,其最重要的项目为提供系统所需频率,但系统对于频率精准度有其最大规格上、下限需求,相关规格需求将视所选用搭配系统晶片和产品会有不同要求,例如Wi-Fi (IEEE 802.11) ≤ ±20ppm、Bluetooth (IEEE 802.15) ≤ ±40ppm、Ethernet (IEEE 802.3) ≤ ±50ppm等,

当要量测使用石英晶体自行设计石英振荡电路实际频率量测方法,爱普生实验室是采用改造于主动探棒来当偶合用信号天线,再结合信号放大器,将电路板上的振荡信号以非接触式偶合方法来量测信号频率,信号先接入试波器后,再输出给计频器。

我们以非接触式偶合感应其振荡频率信号,所量测得到的频率精准度非常可靠,它不会因为主动探棒直接碰触振荡电路某点,振荡电路频率将会因来自主动探棒本体电容和容抗值,影响到振荡电路实际负载电容量,造成真实振荡频率因为量测频率方法不佳造成的频率量测偏差。

图十一,为爱普生量测石英晶体在振荡电路上产生频率的方法,试波器是让我们用来检验待量测指定的振荡信号波形是否异常?是否会观察到来自电路中电源杂讯,或是有异常信号来自不同层走线所偶合来的寄生波形,或其它杂讯来源?

如果待量测振荡电路信号本身品质没有问题,将会用计频测读取振荡频率数值。

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图十一. 非接触感应式频率量测

   石英晶体定义频率精准规格为数值范围,故被量测电路上的石英晶体自身偏差数值,将会影响被量测荡电路的频率偏移特性的观察。在输出频率评估时,主要是以频率偏差值进行判断,其频率偏差值(Frequency deviation)计算方式为下,

 [ (振荡电路量测之输出频率) - (石英晶体自身频率) ∕ 额定频率值 ] x 106

通常判断振荡电路频率偏差量标准,以高频AT-Cut MHz*石英元件来说,室温检查量测时预设频率偏差量,约接近0ppm越好(通常,我们会忽略正偏或负偏)。但是否精准的同时,必需要兼顾负性阻抗和驱动功率是否符合设计条件。

*使用于计时器用32.768kHz音叉式石英元件,预设频率偏差最好常保持正偏差。

【第五部】振荡电路频率(F)、负性阻抗(-R)、驱动功率(Drive Level)间相互关连

  引响振荡线路频率精准度或稳定与否,重要的參數就是整个线路上的负载电容CL (Load Capacitance),它是由Gate端的频率调整电容(Cg)和Drain端的频率调整电容(Cd)及PCB走线和IC内部整体杂散电容(CStray)等三个变數共同组成。

  其中Crystal负载电容及兩个落地电容为已知的参数,我们可以透过下列公式概略求得杂散电容值:

     

           Crystal CLoad Capacitance = ( C// C) + CS = Cg*CdCg+Cd + CS

 

 初版PCB电路设计,我们可依上公式,振荡电路中未知的Cstray偏差值,以2 ~ 3pF数值先「暂时」代入,便可概略推算出所需外挂于Cg 和Cd端的电容值,初步设计时,我们通常只需设定Cg=Cd两端外挂相互等同电容数值便可。

  (例)

   当选用石英元件CLoad = 12.5pF时,我们将CStray ≈ 2 ~ 3pF暂代入推算

   在此,可计算得到Cg = Cd = 18pF ~ 22pF为概略建议范围,

   相关MLCC电容数值挑选,请依贵司常使用MLCC标准零件值来决定。


[ 5-1 ] 当外挂电容Cg//Cd增加时,其输出频率变慢、负性阻抗(-R)降低;

相反,如外挂电容Cg//Cd降低时,其输出频率变快、负性阻抗(-R)增加。

如下图十一所示:

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十一

[ 5-2 ] 关于限流电阻(Rd)调整,主要的目的为降低驱动功率,让使用的石英晶体在振荡电路的特性能够常保持稳定条件;随着外挂电容调整可达高精准度,但驱动功率亦会随之变动,故需藉由限流电阻(Rd),进行调整达其目的。

  当限流电阻增加时,驱动功率、负性阻抗两者皆降低;相反,当限流电阻不用或是将其降低时,驱动功率、负性阻抗两者随之增加(参阅图十二)。此限流电阻于电路设计时,如有预留,可调整搭配主晶片设计驱动功率过大时,可藉由此Rd进行微调,相反如无使用可以零欧姆电阻代之。

  由于增加限流电阻有其极限,无法无限增加,故需取得各参数平衡。

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十二

[5-3] 当选用石英晶体选用的CLoad低于实际振荡电路的CLoad时,依此条件匹配下所量得输出频率会变较慢(负偏差),

  如需取得精准输出频率,需将电路中的两外挂Cg、Cd电容渐次调小,达成相互匹配平衡;

  反之,当选用石英晶体选用的CLoad高于实际振荡电路的CLoad时,依此条件匹配下所量得输出频率会变较快(正偏差),

  如需取得精准输出频率,需将电路中的两外挂电容调大,达成平衡。参考下图十三所示:

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十三

 本篇为爱普生石英晶体谐振器电路设计暨测试验证相关介绍说明的下篇,全文版本我们将会另行发行。

  石英晶体元件是电子业界性价比高的被动元件,它广泛被设计使用于各类电子产品半导体所需要的高精度时脉来源,石英晶体虽然便宜且性价比高,但是以它用来设计出的石英振荡电路是类比电路,设计者很难去验证测试所设计的振荡电路参数正常与否?

  如果您有任何石英振荡电路设计问题,或有相关工程验证需求?

  欢迎随时和台湾爱普生联络,或透过各授权代理商洽询相关测试服务支援。

爱普生回路分析相关影片: Notes for Oscillator circuit design - YouTube


2021-10-05