【讲座】晶体谐振器的电路评估 第一讲 : 电路元件的功能

Murata村田中文技术社区 2020-05-29 00:00

工程师在进行晶体谐振器的电路评估时,常常碰到一些困难。比如,当振荡电路不适合时,有可能会发生「不开机」、「不通信」、「误动作」等问题。


进行晶体谐振器的电路评估时,您碰到过这样的问题吗?

这些问题的原因可能是由使用晶体振荡器的振荡电路上的“振荡停止”和“频率大幅偏移”引起的。为了防止这类问题发生,同时保证稳定的振荡,有必要选择最佳的电路设计。


我们在这里为您介绍拥有丰富电路评估经验的村田製作所所提供的关于电路评估的方法。

本系列【讲座】包括五个村田制作所的电路测试视频,穿插相关的基础技术知识内容,分享产品信息、应用方案、和基础设计工具SimSurfing的实操应用。





目次:晶体谐振器的电路评估

第一讲 : 电路元件的功能

介绍电路元件的作用和选择最佳电路常数所需要确认的振荡特性。


第二讲 : 振荡裕量测量

介绍振荡裕量的计算方法和负电阻的测量方法。


第三讲 : 驱动功率测量

介绍驱动功率计算示例和驱动功率的测量方法。


第四讲 : 振荡频率测量

振荡频率的测量方法、什么是振荡频率相关性?介绍振荡频率相关性的要点。


第五讲 : 振荡特性与常数之间的关系

关于振荡特性与常数之间的关系以及电路测试的基本流程,振荡特性与常数之间的关系如何?介绍更改电路常数后各种特性的变化以及基本电路测试步骤。


其它:

  • 晶体谐振器的基础知识
  • 使用SimSurfing进行IC时钟元件搜索


开始吧

第一讲 : 电路元件的功能


[第一讲]为您介绍晶体振荡电路中元件的作用,以及选择最佳电路常数所需要确认的振荡特性。


附录:晶体振荡器基础知识~术语



1


共振频率


在晶体谐振器的共振特性中,共振频率是两点阻抗变为电阻时的较低频率点。

图. 晶体谐振器共振特性


阻抗Z变为电阻元件时,两点之间的频率。在这两点上,相为0。其中频率较低的点称为共振频率。另外一个点称为反共振频率。



2


等效电路


下图所示的是由电阻、电感和电容组成的晶体谐振器的共振特性。R1在等效电路中称为等效串联电阻,是晶体谐振器的重要特性。



3


等效串联电阻 (R1)


晶体谐振器等效电路串联支路中的电阻。



4


负载电容 (Cs)


让晶体谐振器具有负载共振频率的电容。在实际振荡电路中,连接晶体谐振器的实际电容是由外部负载电容、IC杂散和PCB等产生的。也可用下述公式进行计算:




5


负载共振频率 (fL)


负载共振频率是晶体谐振器中负载电容串联的共振频率,这一频率比共振频率高。由于实际值与晶体谐振器规范中额定值之间的电容差,所以实际和额定振荡频率间存在频差。
也可用下述公式进行计算:



6


拉敏性


上面的图显示了负载电容变化产生的负载共振频率 (fL) 偏移。此图中每个点的斜率就是拉敏性。参见下面的图。在负载电容为6pF时,拉敏性是-17ppm/pF。(负载电容变化1pF时,频移为17ppm)。也可用下述公式进行计算:




7


导纳圆


下图是在导纳平面坐标 (电导—电纳) 上绘制的晶体谐振器共振特征。由于画成了圆形,因此称为导纳圆。在频率低于共振频率时,导纳靠近原点。在频率增加时,导纳按顺时针方向画圆。





8


振荡裕量


即振荡停止的裕量,这也是振荡电路中最重要的术语。振荡裕量取决于组成振荡电路的元件 (晶体谐振器、MCU、电容器以及电阻器) 。村田推荐维持5倍或更大的振荡裕量。更详细内容请关注本系列讲座第二讲。



9


负阻 (-R)


负阻是用阻抗表示的振荡电路信号放大能力。由于其作用与电阻相反,所以是负值。负阻较高值小说明振荡电路的放大能力低。振荡电路中的负阻取决于CMOS逆变器的特性、反馈电阻、阻尼电阻和外部负载电容。



10


驱动功率


驱动功率是指振荡电路中晶体谐振器的功耗。它不仅取决于晶体谐振器的等效串联电阻,还取决于组成振荡电路的元件 (MCU、电容和电阻) 。在驱动功率超额时,频率—时间性能会出现不正常特性。在设计振荡电路时,最好检查一下驱动功率。



11


C-MOS逆变器


C-MOS是互补MOS,组成了相互连接的p和n型MOSFET。在下图中起到逆变器 (逻辑逆变电路NOT) 的作用。



12


振荡电路


在装有C-MOS逆变器或晶体管的放大电路中,所谓的“振荡电路”就是将输出连接到输入,以便持续放大反馈。只有通过晶体谐振器反馈才能选择并放大共振频率的信号。



13


其它术语


电路匹配

构成电路的元件 (C-MOS逆变器、晶体谐振器、电阻和外部负载电容) 组合,会改变振荡特性。因此,必须组成适当的电容组合,以获得强大的振荡电路。这种检查和调整也称为电路匹配。

标称频率

标称频率是指晶体谐振器生产商指定的晶体谐振器频率。必须要知道的是,由于MCU、PCB和外部负载电容的不同,实际振荡频率会偏离标称频率。

频率容限

是指操作环境中振荡频率超大允许偏差的频率范围。通常根据标称频率用ppm表示。

反馈电阻

在振荡电路中,反馈电阻与C-MOS逆变器并联连接。它可能集成在MCU上。它的作用是平衡逆变器I/O间的DC电压,而逆变器将起到放大器的作用。在反馈电阻没有集成在MCU上时,非常好使用1Mohm作为外部反馈电阻。

阻尼电阻

阻尼电阻用于振荡电路中C-MOS逆变器的输出端。其作用是减小振荡幅度,以降低降低功率。另一方面,必须注意振荡裕量,因为超额的阻尼电阻会引起振荡停止。通常阻尼电阻的使用范围是从0到2kΩ,它取决于MCU的特性。

外部负载电容

外部负载电容用于振荡电路接地逆变器的输入端和输出端。它是直接影响负阻和振荡频率的重要元件。这些电容在CERALOCK®中称为“负载电容器”。另一方面,在晶体谐振器中,将其称为“外部负载电容”,以区别于负载电容“Cs”。通常将两个相同的电容用作外部负载电容。5到10pF作为外部负载电容是很适合的,这将取决于MCU的特性和安装基板的寄生电容。


▼下一讲:更精彩▼


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