【講座】晶體諧振器的電路評估 第一講 : 電路元件的功能

2021-01-11 電子工程專輯
【講座】晶體諧振器的電路評估 第一講 : 電路元件的功能

工程師在進行晶體諧振器的電路評估時，常常碰到一些困難。比如，當振蕩電路不適合時，有可能會發生「不開機」、「不通信」、「誤動作」等問題。 進行晶體諧振器的電路評估時，您碰到過這樣的問題嗎？ 這些問題的原因可能是由使用晶體振蕩器的振蕩電路上的「振蕩停止」和「頻率大幅偏移」引起的。為了防止這類問題發生，同時保證穩定的振蕩，有必要選擇最佳的電路設計。


我們在這裡為您介紹擁有豐富電路評估經驗的村田製作所所提供的關於電路評估的方法。 本系列【講座】包括五個村田製作所的電路測試視頻，穿插相關的基礎技術知識內容，分享產品信息、應用方案、和基礎設計工具SimSurfing的實操應用。

第一講 : 電路元件的功能

介紹電路元件的作用和選擇最佳電路常數所需要確認的振蕩特性。


第二講 : 振蕩裕量測量

介紹振蕩裕量的計算方法和負電阻的測量方法。


第三講 : 驅動功率測量

介紹驅動功率計算示例和驅動功率的測量方法。


第四講 : 振蕩頻率測量

振蕩頻率的測量方法、什麼是振蕩頻率相關性？介紹振蕩頻率相關性的要點。


第五講 : 振蕩特性與常數之間的關係

關于振蕩特性與常數之間的關係以及電路測試的基本流程，振蕩特性與常數之間的關係如何？介紹更改電路常數後各種特性的變化以及基本電路測試步驟。


其它：


開始吧


[第一講]為您介紹晶體振蕩電路中元件的作用，以及選擇最佳電路常數所需要確認的振蕩特性。 在晶體諧振器的共振特性中，共振頻率是兩點阻抗變為電阻時的較低頻率點。 阻抗Z變為電阻元件時，兩點之間的頻率。在這兩點上，相為0。其中頻率較低的點稱為共振頻率。另外一個點稱為反共振頻率。


下圖所示的是由電阻、電感和電容組成的晶體諧振器的共振特性。R1在等效電路中稱為等效串聯電阻，是晶體諧振器的重要特性。

晶體諧振器等效電路串聯支路中的電阻。


讓晶體諧振器具有負載共振頻率的電容。在實際振蕩電路中，連接晶體諧振器的實際電容是由外部負載電容、IC雜散和PCB等產生的。也可用下述公式進行計算:



負載共振頻率是晶體諧振器中負載電容串聯的共振頻率，這一頻率比共振頻率高。由於實際值與晶體諧振器規範中額定值之間的電容差，所以實際和額定振蕩頻率間存在頻差。
也可用下述公式進行計算:


上面的圖顯示了負載電容變化產生的負載共振頻率 (fL) 偏移。此圖中每個點的斜率就是拉敏性。參見下面的圖。在負載電容為6pF時，拉敏性是-17ppm/pF。(負載電容變化1pF時，頻移為17ppm)。也可用下述公式進行計算:



下圖是在導納平面坐標 (電導—電納) 上繪製的晶體諧振器共振特徵。由於畫成了圓形，因此稱為導納圓。在頻率低於共振頻率時，導納靠近原點。在頻率增加時，導納按順時針方向畫圓。




即振蕩停止的裕量，這也是振蕩電路中最重要的術語。振蕩裕量取決於組成振蕩電路的元件 (晶體諧振器、MCU、電容器以及電阻器) 。村田推薦維持5倍或更大的振蕩裕量。更詳細內容請關注本系列講座第二講。


負阻是用阻抗表示的振蕩電路信號放大能力。由於其作用與電阻相反，所以是負值。負阻較高值小說明振蕩電路的放大能力低。振蕩電路中的負阻取決於CMOS逆變器的特性、反饋電阻、阻尼電阻和外部負載電容。


驅動功率是指振蕩電路中晶體諧振器的功耗。它不僅取決於晶體諧振器的等效串聯電阻，還取決於組成振蕩電路的元件 (MCU、電容和電阻) 。在驅動功率超額時，頻率—時間性能會出現不正常特性。在設計振蕩電路時，最好檢查一下驅動功率。



C-MOS是互補MOS，組成了相互連接的p和n型MOSFET。在下圖中起到逆變器 (邏輯逆變電路NOT) 的作用。


在裝有C-MOS逆變器或電晶體的放大電路中，所謂的「振蕩電路」就是將輸出連接到輸入，以便持續放大反饋。只有通過晶體諧振器反饋才能選擇並放大共振頻率的信號。


電路匹配

構成電路的元件 (C-MOS逆變器、晶體諧振器、電阻和外部負載電容) 組合，會改變振蕩特性。因此，必須組成適當的電容組合，以獲得強大的振蕩電路。這種檢查和調整也稱為電路匹配。

標稱頻率

標稱頻率是指晶體諧振器生產商指定的晶體諧振器頻率。必須要知道的是，由於MCU、PCB和外部負載電容的不同，實際振蕩頻率會偏離標稱頻率。

頻率容限

是指操作環境中振蕩頻率超大允許偏差的頻率範圍。通常根據標稱頻率用ppm表示。

反饋電阻

在振蕩電路中，反饋電阻與C-MOS逆變器並聯連接。它可能集成在MCU上。它的作用是平衡逆變器I/O間的DC電壓，而逆變器將起到放大器的作用。在反饋電阻沒有集成在MCU上時，非常好使用1Mohm作為外部反饋電阻。

阻尼電阻

阻尼電阻用于振蕩電路中C-MOS逆變器的輸出端。其作用是減小振蕩幅度，以降低降低功率。另一方面，必須注意振蕩裕量，因為超額的阻尼電阻會引起振蕩停止。通常阻尼電阻的使用範圍是從0到2kΩ，它取決於MCU的特性。

外部負載電容

外部負載電容用于振蕩電路接地逆變器的輸入端和輸出端。它是直接影響負阻和振蕩頻率的重要元件。這些電容在CERALOCK®中稱為「負載電容器」。另一方面，在晶體諧振器中，將其稱為「外部負載電容」，以區別於負載電容「Cs」。通常將兩個相同的電容用作外部負載電容。5到10pF作為外部負載電容是很適合的，這將取決於MCU的特性和安裝基板的寄生電容。


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