Epson Crystal電路頻率匹配實用資料
來源：http://m.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年06月26
在產(chǎn)品選型初期,最讓工程師頭疼的問題,是如何選擇和匹配晶振頻率,晶體晶振本身就是一種頻率控制元器件,頻率是最重要的參數(shù),也是決定電路是否穩(wěn)定有效的關(guān)鍵.EPSON Crystal公司是專業(yè)的石英水晶組件制造商,旗下量產(chǎn)的晶體和振蕩器種類齊全,幾十年自主創(chuàng)新的技術(shù)和工藝,也為業(yè)界做出不少貢獻,EPSON公司提供的振蕩電路頻率匹配資料,讓廣大工程和技術(shù)受用無窮.
通常,晶體單元需要與振蕩器電路匹配以獲得穩(wěn)定的振蕩.晶體和振蕩器電路之間的不良匹配會產(chǎn)生許多問題,包括器件頻率穩(wěn)定性不足,器件停止振蕩和振蕩不穩(wěn)定.因此,當(dāng)晶體單元與微控制器結(jié)合使用時,需要評估振蕩器電路.要檢查晶體單元和振蕩器電路之間的匹配,必須至少評估振蕩頻率匹配,負(fù)電阻和驅(qū)動電平.本文描述了用于檢查晶體單元和振蕩器電路匹配的評估過程.
1.振蕩頻率匹配評估的準(zhǔn)備
電路設(shè)計者基本上指定了三個晶體單元參數(shù):負(fù)載諧振頻率(FL),負(fù)載電容(CL)和晶體頻率容差(Δf).給定這些參數(shù),晶體制造商根據(jù)負(fù)載電容(CL)振動諧振器單元,因為它調(diào)整負(fù)載諧振頻率(FL)和頻率容差.但是,預(yù)先規(guī)定的負(fù)載電容(CL)不考慮靜電電容(雜散電容),這是由印刷電路板(PCB)上的各種源產(chǎn)生的.由于雜散電容會對振蕩頻率的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響,因此必須由可以改變晶體單元本身頻率的晶體制造商或可以調(diào)整負(fù)載電容的電路設(shè)計者來抵消.此過程稱為頻率匹配.
在評估頻率匹配之前,需要確認(rèn)要評估的晶體單元的以下三個規(guī)格.
1).標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容
從晶體單元的角度來看,負(fù)載電容是振蕩器電路的靜電電容.通常,電路設(shè)計者指定負(fù)載電容.
2).用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容加載晶體單元的諧振頻率負(fù)載諧振頻率(FL)是用具有標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容的振蕩器電路驅(qū)動晶體單元時的振蕩頻率.使用室溫下的值.雜散電容和其他因素未被考慮在內(nèi).
3).晶體單元的等效電路常數(shù)
主要常數(shù)是運動電阻(R1),運動電容(C1),運動電感(L1),并聯(lián)電容(C0)和晶體本身的共振頻率(Fr),不考慮負(fù)載電容.阻抗計和網(wǎng)絡(luò)分析儀通常用于測量晶體單元的等效電路的參數(shù).理想情況下,電路設(shè)計人員應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量晶體單元并測量等效電路參數(shù).但是,如果電路設(shè)計人員缺乏測量晶體單元所需的設(shè)備或?qū)I(yè)知識,他或她應(yīng)該要求晶體制造商這樣做.
2.振蕩頻率匹配評估從這里開始實際評估過程
首先,將要評估的晶體單元與振蕩電路一起安裝在PCB上,并檢查石英水晶振子的振蕩頻率.這通常被稱為頻率匹配檢查.確定晶體安裝在PCB上的振蕩頻率與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容下的振蕩頻率之間的差異,使您能夠看到PCB的實際靜電電容(電路側(cè)電容)與預(yù)設(shè)電容器之間的差異.規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)靜電電容.PCB的靜電電容不僅包括從晶體單元透視的振蕩電路的靜電電容(負(fù)載電容),還包括由諸如電路板的布線圖案之類的源產(chǎn)生的雜散電容.接下來,準(zhǔn)備好您需要的測量儀器,以評估晶體單元和振蕩電路之間的匹配.評估頻率匹配所需的基本測量儀器是直流電源,頻率計,示波器,FET探頭和電流探頭.(圖1提供了基本測量儀器配置的示例.)
圖1:用于評估頻率匹配的測量儀器
圖2:用FET探頭觸摸晶體單元的熱端子以檢查振蕩波形
首先,當(dāng)您使用FET探頭觸摸晶體單元的熱端子時(圖2),示波器上會出現(xiàn)一個波形,頻率顯示在頻率計數(shù)器上.例如,假設(shè)我們有一個晶體單元,其無負(fù)載電容的諧振頻率(Fr)為12MHz.現(xiàn)在假設(shè)具有標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容的晶體的負(fù)載諧振頻率(FL)為12.000034MHz.
現(xiàn)在,我們假設(shè)安裝在PCB(FR)上的晶體單元的振蕩頻率是使用FET探頭測量的,發(fā)現(xiàn)為12.000219MHz,這意味著兩者之間的差異[晶體安裝時的振蕩頻率電路板(FR)和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容(FL)的振蕩頻率為+185Hz,差值為+15.4ppm.將這兩個頻率之間的差異盡可能接近零,可以提高頻率精度.有兩種方法可以減少FR和FL之間的差異.
一種方法是訂購振蕩頻率(中心頻率)比以前高+15.4ppm的貼片石英晶振.另一種方法是微調(diào)振蕩電路的負(fù)載電容,使其與振蕩頻率相匹配.下面描述使負(fù)載電容與振蕩頻率精細(xì)轉(zhuǎn)動和匹配的過程.
3.通過微調(diào)負(fù)載電容來匹配頻率您需要知道以下值來計算負(fù)載電容:
晶體的等效電路常數(shù)(Fr,R1,C1,L1和C0);晶體安裝在PCB(FR)上時的振蕩頻率;通過將上述值插入下面的公式來計算負(fù)載電容(CL).
這是計算的具體示例.
假設(shè)您的晶體標(biāo)稱頻率為12MHz,振蕩電路負(fù)載電容(CL)為7.8pF.標(biāo)稱頻率是當(dāng)使用具有指定負(fù)載電容的振蕩電路時的振蕩頻率(FL).
通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的晶體常數(shù)如下:
FR=12.000219MHz,Fr=11.998398MHz
R1=33.7歐姆,L1=70.519mH,C1=2.495fF,C0=1.11pF
請記住,Fr是晶體的共振頻率.將這些常量插入公式時,您會發(fā)現(xiàn)CL=7.11pF.該值與規(guī)定的7.8pF振蕩電路負(fù)載電容(CL)之差為-0.69pF.如果消除了這種差異,則預(yù)先指定的振蕩電路的負(fù)載電容和晶體單元實際安裝在PCB上時的靜電電容將匹配.理論上,頻率偏差也將為零,產(chǎn)生預(yù)先指定的振蕩頻率.當(dāng)您實際調(diào)整OSCillator電路的負(fù)載電容時,更改Cg和Cd(圖3),使其符合預(yù)先規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)靜電電容.您可以使用下面的公式2來計算Cg和Cd的近似值.
圖3:電路負(fù)載電容(Cg和Cd)
Ci表示振蕩電路的實際負(fù)載電容(CL),Cs表示PCB布線電容和元件寄生電容等電容.由于Ci需要匹配預(yù)先指定的標(biāo)準(zhǔn)靜電電容CL(獨立晶體單元的CL).您可以使用下面的公式3和公式4來計算它.
換句話說,Cg和Cd是規(guī)定的晶體單位負(fù)載電容,從中減去Cs.此值僅為近似值,建議您在執(zhí)行調(diào)整時更改Cg和Cd并檢查振蕩頻率以獲得所需頻率.如果難以更改振蕩電路的Cg和Cd,則可以通過調(diào)整獨立晶振單元的負(fù)載電容來獲得所需的頻率.在這種情況下,請晶振制造商將晶體單元的獨立電容與電路電容相匹配,然后評估匹配并檢查結(jié)果.但是,請注意,如果電路負(fù)載電容很小,振蕩頻率會發(fā)生很大的變化,這使得它很容易受到振蕩器電路特性的微小變化的影響,從而導(dǎo)致頻率穩(wěn)定性惡化.因此,根據(jù)設(shè)備的應(yīng)用設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)是很重要的.
通常,晶體單元需要與振蕩器電路匹配以獲得穩(wěn)定的振蕩.晶體和振蕩器電路之間的不良匹配會產(chǎn)生許多問題,包括器件頻率穩(wěn)定性不足,器件停止振蕩和振蕩不穩(wěn)定.因此,當(dāng)晶體單元與微控制器結(jié)合使用時,需要評估振蕩器電路.要檢查晶體單元和振蕩器電路之間的匹配,必須至少評估振蕩頻率匹配,負(fù)電阻和驅(qū)動電平.本文描述了用于檢查晶體單元和振蕩器電路匹配的評估過程.
1.振蕩頻率匹配評估的準(zhǔn)備
電路設(shè)計者基本上指定了三個晶體單元參數(shù):負(fù)載諧振頻率(FL),負(fù)載電容(CL)和晶體頻率容差(Δf).給定這些參數(shù),晶體制造商根據(jù)負(fù)載電容(CL)振動諧振器單元,因為它調(diào)整負(fù)載諧振頻率(FL)和頻率容差.但是,預(yù)先規(guī)定的負(fù)載電容(CL)不考慮靜電電容(雜散電容),這是由印刷電路板(PCB)上的各種源產(chǎn)生的.由于雜散電容會對振蕩頻率的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響,因此必須由可以改變晶體單元本身頻率的晶體制造商或可以調(diào)整負(fù)載電容的電路設(shè)計者來抵消.此過程稱為頻率匹配.
在評估頻率匹配之前,需要確認(rèn)要評估的晶體單元的以下三個規(guī)格.
1).標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容
從晶體單元的角度來看,負(fù)載電容是振蕩器電路的靜電電容.通常,電路設(shè)計者指定負(fù)載電容.
2).用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容加載晶體單元的諧振頻率負(fù)載諧振頻率(FL)是用具有標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容的振蕩器電路驅(qū)動晶體單元時的振蕩頻率.使用室溫下的值.雜散電容和其他因素未被考慮在內(nèi).
3).晶體單元的等效電路常數(shù)
主要常數(shù)是運動電阻(R1),運動電容(C1),運動電感(L1),并聯(lián)電容(C0)和晶體本身的共振頻率(Fr),不考慮負(fù)載電容.阻抗計和網(wǎng)絡(luò)分析儀通常用于測量晶體單元的等效電路的參數(shù).理想情況下,電路設(shè)計人員應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量晶體單元并測量等效電路參數(shù).但是,如果電路設(shè)計人員缺乏測量晶體單元所需的設(shè)備或?qū)I(yè)知識,他或她應(yīng)該要求晶體制造商這樣做.
2.振蕩頻率匹配評估從這里開始實際評估過程
首先,將要評估的晶體單元與振蕩電路一起安裝在PCB上,并檢查石英水晶振子的振蕩頻率.這通常被稱為頻率匹配檢查.確定晶體安裝在PCB上的振蕩頻率與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容下的振蕩頻率之間的差異,使您能夠看到PCB的實際靜電電容(電路側(cè)電容)與預(yù)設(shè)電容器之間的差異.規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)靜電電容.PCB的靜電電容不僅包括從晶體單元透視的振蕩電路的靜電電容(負(fù)載電容),還包括由諸如電路板的布線圖案之類的源產(chǎn)生的雜散電容.接下來,準(zhǔn)備好您需要的測量儀器,以評估晶體單元和振蕩電路之間的匹配.評估頻率匹配所需的基本測量儀器是直流電源,頻率計,示波器,FET探頭和電流探頭.(圖1提供了基本測量儀器配置的示例.)
圖1:用于評估頻率匹配的測量儀器
圖2:用FET探頭觸摸晶體單元的熱端子以檢查振蕩波形
現(xiàn)在,我們假設(shè)安裝在PCB(FR)上的晶體單元的振蕩頻率是使用FET探頭測量的,發(fā)現(xiàn)為12.000219MHz,這意味著兩者之間的差異[晶體安裝時的振蕩頻率電路板(FR)和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容(FL)的振蕩頻率為+185Hz,差值為+15.4ppm.將這兩個頻率之間的差異盡可能接近零,可以提高頻率精度.有兩種方法可以減少FR和FL之間的差異.
一種方法是訂購振蕩頻率(中心頻率)比以前高+15.4ppm的貼片石英晶振.另一種方法是微調(diào)振蕩電路的負(fù)載電容,使其與振蕩頻率相匹配.下面描述使負(fù)載電容與振蕩頻率精細(xì)轉(zhuǎn)動和匹配的過程.
3.通過微調(diào)負(fù)載電容來匹配頻率您需要知道以下值來計算負(fù)載電容:
晶體的等效電路常數(shù)(Fr,R1,C1,L1和C0);晶體安裝在PCB(FR)上時的振蕩頻率;通過將上述值插入下面的公式來計算負(fù)載電容(CL).
假設(shè)您的晶體標(biāo)稱頻率為12MHz,振蕩電路負(fù)載電容(CL)為7.8pF.標(biāo)稱頻率是當(dāng)使用具有指定負(fù)載電容的振蕩電路時的振蕩頻率(FL).
通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的晶體常數(shù)如下:
FR=12.000219MHz,Fr=11.998398MHz
R1=33.7歐姆,L1=70.519mH,C1=2.495fF,C0=1.11pF
請記住,Fr是晶體的共振頻率.將這些常量插入公式時,您會發(fā)現(xiàn)CL=7.11pF.該值與規(guī)定的7.8pF振蕩電路負(fù)載電容(CL)之差為-0.69pF.如果消除了這種差異,則預(yù)先指定的振蕩電路的負(fù)載電容和晶體單元實際安裝在PCB上時的靜電電容將匹配.理論上,頻率偏差也將為零,產(chǎn)生預(yù)先指定的振蕩頻率.當(dāng)您實際調(diào)整OSCillator電路的負(fù)載電容時,更改Cg和Cd(圖3),使其符合預(yù)先規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)靜電電容.您可以使用下面的公式2來計算Cg和Cd的近似值.
圖3:電路負(fù)載電容(Cg和Cd)
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