选择高品质石英晶体谐振器指标

传统石英晶体谐振器(下石英元件)是电子产品中不可或缺的频率控制元件，可产生及稳定电子电路所需的工作频率，因应目前资讯、通讯产业、车用、工业控制的各类应用产品，更是无法取代的频率稳定元件。一般使用者来说，选择石英元件以成本考量为第一要件，但本文并非鼓励以此项为首要条件，建议以市场主流尺寸、晶片设计方式、电极面设计导电材料(镀金)、频率稳定度与可靠度为主(参阅下图一. 石英元件等效电路暨相关参数名)，取得高品质石英元件后，依照搭配主晶片选择适合石英晶振负载电容值，再进行振荡电路回路匹配调整其频率精准度、驱动功率、负性阻抗特性，并符合整体系统搭配应用。其相关内容如下:

图一. 石英元件等效电路

【第一部】 石英振荡器电路周边所需元器件和功能说明

石英振荡器设计电路种类非常多元，当振荡电路设计不当时，容易产生振荡电路不稳定或异常等情况，故在进行振荡电路设计时，必须事前评估整体相关电路和周边元器件特性选择是否符合适正设计规范。

目前最常见设计为考毕斯振荡电路(参阅图二)，其电路本身的电子元器件需求最精简、稳定性高、周边所需电子元器件取得方便，常运用在石英振荡电路设计上。

我们先简单说明其周边元器件功能，

1.     Rf (Feed Back Resistance-回授电阻)：

为振荡电路必要设计元件，其目的是用于反向器增益放大信号用，无此回授电阻时，振荡电路无法运作，通常设计分为以下两种，

一.已预建于搭配主晶片内振荡电路中，请勿再外挂该回授电阻于外部电路，

二.未预建于搭配主晶片内振荡电路中，需要将该回授电阻设计于外部电路，其中设计于外部电路，会依需设计振荡频率之不同，选择不同的回授电阻阻值，

   32.768KHz (音叉式石英)回授电阻 - 常选择10M ~ 20MΩ设计阻值。

   高频MHz (AT Cut X’TAL)回授电阻 - 常选择1MΩ设计阻值。

2.     Rd (Drain Resistance-限流电阻) :

为谐振电路串联的电阻，设计于XTAL_OUT端，其主要目的为降低振荡回路中流过石英元件的驱动电流，藉由达到降低驱动功率(Drive Level)效果、防止异常振荡(不稳定频率跳动)，并降低静噪目的。

3.     Cg、Cd (Gate、Drain Capacitance-分外挂于闸级和汲极两端负载电容)：

主要目的为调整输出频率精准度，如果两负载电容值过大或不足，皆会造成振荡电路稳定性发生问题(甚至因为振荡电路无法起振输出适正时脉信号，造成电路或系统无法开机运作)，此部分调整影响频率精准度同时，石英振荡电路相关重要参数和特性(负性阻抗、驱动功率等)亦将会随之变化影响。

图二. 考毕斯振荡电路

当了解各周边元器件和其功能后，需进一步评估整体振荡电路参数特性，是否满足电路系统所需，如下三项指标为评估振荡电路稳定与否最主要参数，

             1. 振荡设计额定输出频率偏差？

     关于振荡电路输出频率偏差主要为石英元件单体偏差值，与实际输出频率两者的偏差值，即可推估出实际可用的频率范围；

     2. 振荡最大阻抗余裕量(或称振荡裕度)？

振荡最大阻抗余裕量其主要是评估观察，选择的石英元件在特定电路下，观察该电路起振最大裕度是否能够达成该石英元件其规格之最大等效电阻值(Equivalent Series Resistance)，通常以其最大ESR电阻值再乘上5倍，为判断基准(满足的倍数越高，代表该特定振荡电路条件下，达到更优异的安定性)

3. 驱动功率？

驱动功率主要是评估观察主IC提供给石英元件的实际驱动功率，利用量测流经该石英元件实际电流值，将其平方后，再乘上该被测物料该石英元件实际内部等效电阻值，依P = i2 x R公式来计算实际驱动功率。

   当以上三项修关振荡电路稳定与否最重要指标，取得平衡(如图三所示)，代表该石英元件搭配主IC和其周边元器件，包含其外挂于闸极端(XTAL_IN)和汲极端(XTAL_OUT)所需选用电容值等，为振荡电路适正设计参数，此为测试主要目的。

图三. 电器特性平衡区

   本篇为本系列上篇，下一篇我们将会详细介绍说明如何观察各项重要指标的测试方法，请期待本系列中篇说明。

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