石英晶體使用時，一定要評估振蕩電路嗎

有些人以為，只要選用的晶體頻率是正確的，就能獲取自己需要的振蕩頻率，但事實并不是這樣的，晶體只是振蕩電路的一個組件，整個振蕩電路產(chǎn)生的頻率并不是完全由晶體決定，晶體匹配電路十分重要。若電路結(jié)構(gòu)與晶體單元的匹配中存在問題，就會產(chǎn)生頻率偏移或不振蕩等問題。石英晶體在使用時，一定需要評估振蕩電路，以確認(rèn)石英晶體振蕩頻率的準(zhǔn)確性，下面將說明如何來做晶體單元和振蕩電路匹配的評估。

一、 評估振蕩頻率之前的準(zhǔn)備

一般，石英晶體生產(chǎn)商基于電路設(shè)計方所提出的晶體振蕩頻率（FL）、負(fù)載電容（CL值）和振蕩頻率可容誤差（Δf）的三項數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)載電容（CL值）使晶體單元起振，并調(diào)整振蕩頻率和可容誤差。

需要注意的是，事先指定的負(fù)載電容（CL值）中沒有考慮實際的PCB板中因各種因素而產(chǎn)生的電容（雜散電容）。雜散電容是造成振蕩頻率精度下降的因素之一，所以應(yīng)當(dāng)考慮到其影響，或者讓石英晶體生產(chǎn)商更改晶體的振蕩頻率，或者由電路設(shè)計方重新調(diào)整雜散電容。這是振蕩頻率匹配工作的大致框架。

在實際評估匹配之前，請確認(rèn)晶體的以下三項參數(shù)：

1. 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容值

晶體負(fù)載電容是晶體的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和。

2. 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容的晶體振蕩頻率（FL）

振蕩頻率（FL）指在室溫下以標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容的振蕩電路驅(qū)動石英晶體單元時的振蕩頻率。

3. 石英晶體單元的等效電路常數(shù)

等效串聯(lián)阻抗（R1）、等效串聯(lián)電容（C1）、等效串聯(lián)電感（L1）、等效并聯(lián)電容（C0）和負(fù)載電容的石英晶體單元自身的振蕩頻率（Fr）等常數(shù)。 測試石英晶體單元等效電路常數(shù)時通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀。

二、 振蕩頻率（頻率匹配）的評估

1. 確認(rèn)晶體安裝在PCB板上后產(chǎn)生的振蕩頻率和供應(yīng)商提供的CL參數(shù)的差值，就能夠確認(rèn)PCB板上的實際電容與事先指定的標(biāo)準(zhǔn)電容之間所產(chǎn)生的偏差。這里所指的PCB板電容包括晶體負(fù)載電容和PCB雜散電容之和。

2. 其次準(zhǔn)備評估石英晶體單元和振蕩電路的匹配所需測試儀器。評估所需基本測試儀器有直流電源、頻率計、示波器、FET 探針等。

首先測試出振蕩電路的頻率。若其標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容時的振蕩頻率（FL）為 12.000034MHz，假設(shè)將該晶體安裝在基板上后實際測試得出的振蕩頻率（FR）為12.000219MHz，就可以得出兩者之間的差為+185Hz，出現(xiàn)了+15.4ppm 的差異。 這個差越接近零，頻率精度越高。 使上述 FR和 FL的差接近零的方法有兩種：

從石英元件生產(chǎn)商處購買振蕩頻率（中心頻率）比現(xiàn)在偏移+15.4ppm 的晶體；

對振蕩電路的負(fù)載電容進(jìn)行微調(diào)整，以此得到相應(yīng)的振蕩頻率。

三、 對負(fù)載電容進(jìn)行微調(diào)整來匹配頻率的方法

電路中負(fù)載電容的變化會引起晶體頻率的偏移，偏移圖如圖三

頻率隨負(fù)載電容變化

計算負(fù)載電容時需要的數(shù)據(jù)：

石英晶體單元等效電路常數(shù)（Fr、R1、C1、L1、C0）

實裝在基板上的振蕩頻率（FR）

根據(jù)這些數(shù)據(jù)使用以下算式計算負(fù)載電容（CL）。

具體計算舉例如下：

假設(shè)石英晶體單元的額定頻率為 12MHz，振蕩電路的負(fù)載電容（CL）為 7.8pF。 這里的額定頻率指使用規(guī)定負(fù)載電容的振蕩電路的條件下的振蕩頻率（FL）。 假定用網(wǎng)絡(luò)分析儀對該石英晶體單元進(jìn)行測試后得到了下列各常數(shù)：

FR=12.000219 MHz

Fr＝11.998398 MHz

R1＝33.7 ohm

L1＝70.519 mH

C1=2.495 fF

C0=1.11 pF

這里重申 Fr是石英晶體單元自身的振蕩頻率。把這些常數(shù)代入算式（1）就可以求出 CL=7.11pF。

從求出的值可以得出與先前所指定的振蕩電路負(fù)載電容（CL） 7.8pF 之間的差為 0.69pF。只要把差調(diào)整到零，理論上頻率公差也變?yōu)榱?，便可得到事先所指定的振蕩頻率。 實際調(diào)整振蕩電路的負(fù)載電容時，將變更圖 3的 Cg和 Cd，以符合事先指定的標(biāo)準(zhǔn)電容。這時，Cg和 Cd的大致數(shù)值可以使用下列算式（2）計算得出。

振蕩電路負(fù)載電容（Cg與Cd）

這里的 Ci表示振蕩電路的實際負(fù)載電容（CL），Cs是寄生電容。Ci只要等于事先指定的標(biāo)準(zhǔn)電容 CL（晶體CL）即可，所以可以使用下列算式（3）和算式（4）算出。

一般應(yīng)用來說（對起振時間，起振能力有特殊要求的除外），Cg=Cd。那么Cg=Cd=（CL-CS）/2。

如果振蕩電路的 Cg和 Cd難以變更，可以改變通過晶體的負(fù)載電容進(jìn)行匹配。讓晶體生產(chǎn)商把晶體CL參數(shù)調(diào)整為你的電路電容，再對其進(jìn)行匹配評估確認(rèn)結(jié)果。

在確定Cd和Cg時，需要注意以下方面：

1. 當(dāng)振蕩電路的Cd和Cg較小時，負(fù)載電容的微小變化就會導(dǎo)致頻率的急劇變化，這會導(dǎo)致頻率穩(wěn)定度惡化。

2. Cd和Cg較大時，振蕩電路的負(fù)性阻抗會小，起振時間會變大或?qū)е虏黄鹫瘛?/p>