石英晶体振荡线路的回路分析

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一个晶体振荡电路必然会存在一定范围的误差，问题是如何了解这个误差范围，并将误差值控制在最小的范围以内。

振荡线路回路分析的目的：

一个晶体振荡电路必然会存在一定范围的误差，问题是如何了解这个误差范围，并将误差值控制在最小的范围以内。

振荡电路主要有三种误差来源：

第一种：石英晶体单元本身就存在有不同的精度（也就是容许误差）。
第二种：误差来源是石英晶体的温度特性，也就是频率随温度变化会出现偏差的现象。


图1 石英晶体频率—温度特性曲线。

第三种：误差来源来自振荡电路上的外围元器件配置，这些组件包括石英晶体、半导体IC、外围电阻/电容，以及PCB 走线。
进行振荡电路回路分析的目的，就是为了检视石英晶体在整个振荡电路中是否得到理想的匹配。透过回路分析，研发人员可以在电路设计阶段就了解石英晶体振荡电路的匹配状况，避免在量产后才发生问题，因为再更改设计很不容易。

回路分析要点

振荡电路回路分析包含三个基本的面向，介绍如下：
1. 频率容许误差（Frequency Tolerance）的量测：
频偏误差的计算公式如下：
频偏误差=（量测频率值–中心频率值）/中心频率值x 1,000,000（得出的单位为ppm）。
2. 驱动功率（D.L.，Driver Level）：
计算公式为：P (uW)= I^2 x Re

3. 负性阻抗（也称为起振余量）：-R
负性阻抗代表振荡线路的起振余量状况，也就是这个电路的健康度，即石英晶体在驱动下容不容易被起振。负性阻抗的判断基本值是石英晶体最大ESR 值的3~5 倍。

实际操作的时候主要改变负载电容的匹配，那么我们来看一下负载电容和各项参数的关系：



负载电容与频率容许误差的关系图：电容变大，频率变慢；电容变小，频率变快



负载电容与驱动功率的关系图：当负载电容变小时，驱动功率也会变小



负载电容与负性阻抗的关系图：当负载电容变小时，负性阻抗会变大

案例分析：

晶体信息



客户在应用MC-146的过程中发现会有10%左右的晶体起振时间过长、甚至不起振的现象发生。需要对电路设计进行测试来找到问题的原因和解决方法。
根据客户提供参数测试得到如下数据：



从测试结果看客户初始选择 Cl= 12.5pF 的MC-146 进行设计，匹配电容C174=C175=18Pf, 测得精度为 +4.4 ppm 满足应用要求。同时 DL= 0.119?W 也小于0.5 ?W的要求。
但是我们看到 –R 值为 220 k? 不满足 –R> 5* ESR 的要求。 该设计存在起振缓慢或停振的风险，因此需要对回路的器件参数进行重新设定。

重新设定的原则是：使振荡回路得到的参数指标都满足设计要求。

经过测试发现 Cl=12.5pF 的MC-146 在该系统的所有情况下都不能满足全部的参数要求，因此需要更换晶体单元。
结果显示当使用Cl=7 pF 的MC-146 的时候，匹配电容C174=7pF C175=6 pF, 测得精度为 +3.8 ppm 满足应用要求。同时 DL= 0.081?W 也小于0.5 ?W的要求。-R 值为 1000 k???
远远大于 5倍ESR （325 k?）。因此推荐客户使用该参数匹配的电路设计，可以保证得到稳定可靠的时钟频率。