如何測(cè)量石英晶體的驅(qū)動(dòng)電平

了解為什么石英晶體振蕩器的驅(qū)動(dòng)電平很重要，以及如何測(cè)量它的幾種方法。

驅(qū)動(dòng)電平是指晶體中耗散的功率量。 晶體具有機(jī)械振動(dòng)。 較高的驅(qū)動(dòng)電平會(huì)將振動(dòng)幅度增加到不可接受的水平，并造成不良影響。 為了限制這些振動(dòng)，晶體中的功耗不應(yīng)超過(guò)制造商指定的值。

典型驅(qū)動(dòng)電平值在100 μW范圍內(nèi)。 使用較小的表面貼裝晶體，額定驅(qū)動(dòng)電平可以更?。s10 μW）。

在本文中，我們將介紹可用于測(cè)量晶體功率電平的測(cè)試設(shè)置和相關(guān)方程。

驅(qū)動(dòng)器級(jí)別依賴(lài)關(guān)系

增加驅(qū)動(dòng)電平會(huì)導(dǎo)致晶體的運(yùn)動(dòng)阻力和頻率增加。 這種效應(yīng)通常稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)器級(jí)依賴(lài)關(guān)系 （DLD），如圖 1 所示。

***圖1. *晶體運(yùn)動(dòng)阻力和頻率與驅(qū)動(dòng)電平的關(guān)系。 圖片由 瑞薩電子.

極低的驅(qū)動(dòng)電平也會(huì)使晶體的串聯(lián)電阻增加到使振蕩器無(wú)法啟動(dòng)的值。 由于這種效應(yīng)，給定的晶體有時(shí)會(huì)成功啟動(dòng)，有時(shí)會(huì)失敗。

這些晶體有時(shí)被稱(chēng)為“沉睡晶體”。 有趣的是，一段時(shí)間不活躍的晶體也可能表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于額定值的大串聯(lián)電阻。 這也可能導(dǎo)致晶體偶爾無(wú)法啟動(dòng)。 可能導(dǎo)致這種影響的不活動(dòng)期可能是數(shù)小時(shí)到數(shù)周，具體取決于晶體質(zhì)量。

超速駕駛會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞

超過(guò)規(guī)定的驅(qū)動(dòng)電平可能會(huì)導(dǎo)致一些不良影響。 它會(huì)縮短器件壽命，引起振蕩頻率波動(dòng)，并降低穩(wěn)定性。 圖2顯示了超過(guò)最大驅(qū)動(dòng)電平如何改變晶體的頻率與溫度響應(yīng)。

***圖2. *超過(guò)最大驅(qū)動(dòng)電平對(duì)晶體頻率和溫度響應(yīng)的影響。 圖片由 拉創(chuàng).

在本例中，額定功率為10 μW的晶體在500 μW時(shí)過(guò)驅(qū)動(dòng)。 我們觀察到的溫度響應(yīng)不穩(wěn)定，而不是平滑的頻率與溫度曲線(xiàn)。 在明顯更高的功率水平下（例如，在額定值的10倍時(shí)），過(guò)驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)晶體造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

使用電流探頭測(cè)量驅(qū)動(dòng)電平

由于不能直接測(cè)量晶體驅(qū)動(dòng)電平，因此我們需要測(cè)量電路量，例如電壓或電流，并使用晶體電模型來(lái)近似其功率電平。 這等效電路晶體如圖3所示。

圖3. 晶體的等效電路。 圖片由意法半導(dǎo)體

我們只需要找到該網(wǎng)絡(luò)在諧振時(shí)的有效電阻，并測(cè)量晶體電流即可計(jì)算驅(qū)動(dòng)電平。 這負(fù)載電容 C 時(shí)的晶體等效串聯(lián)電阻 （ESR）L 由以下人員給出：

驅(qū)動(dòng)器級(jí)別可通過(guò)以下方式獲得：

等式 1

我在哪里Q， RMS 表示流過(guò)晶體的均方根電流。 如圖4所示，電流探頭可用于測(cè)量晶體電流。

***圖4. ***使用電流探頭測(cè)量晶體電流

晶體電流通常是正弦或鋸齒形的。 圖6顯示了一個(gè)電流波形近似正弦的示例。

圖6. 流過(guò)晶體的電流。 圖片由 愛(ài)普生.

對(duì)于正弦波形，我們可以應(yīng)用以下公式從峰峰值（I Q， p-p ):

對(duì)于鋸齒波形，RMS值由下式給出：

根據(jù)波形類(lèi)型，應(yīng)使用這兩個(gè)公式之一從峰峰值中找到RMS值。 然后，我們可以代入公式1中的RMS電流并計(jì)算驅(qū)動(dòng)電平。

插入串聯(lián)電阻以測(cè)量晶體電流

如果沒(méi)有電流探頭，我們可以暫時(shí)放置一個(gè)小電阻與晶體串聯(lián)，并使用差分探頭測(cè)量電阻兩端的電壓。

有了電阻值和壓降，我們可以找到晶體電流。 如圖 7 所示。

***圖7. *表示用于查找晶體電流的設(shè)置。 圖片由美信集成.

為了確保電阻足夠小并且不會(huì)產(chǎn)生明顯的測(cè)量誤差，請(qǐng)Maxim集成應(yīng)用筆記建議我們稍微增加電阻值，并驗(yàn)證檢測(cè)的電流幾乎沒(méi)有變化。 在本例中，電阻值從10 Ω更改為20 Ω。

通過(guò)測(cè)量放大器輸入電壓找到驅(qū)動(dòng)電平

在這種情況下，放大器輸入端的RMS電壓（V 在，RMS ） 通過(guò)低電容示波器探頭（小于 1 pF）測(cè)量。

***圖8. ****使用示波器探頭測(cè)量 *放大器輸入端的均方根電壓

有V 在，RMS ，我們可以計(jì)算流過(guò)C的電流L2 如：

為了更準(zhǔn)確地說(shuō)，我們還可以包括寄生效應(yīng)和替代CL2 與 C總 給出如下：

其中 C流浪和 C探針分別是雜散電容和探頭電容。流入放大器輸入端的電流遠(yuǎn)小于流過(guò)該總電容的電流。因此，我們可以假設(shè)流過(guò)晶體的總電流等于流過(guò)C的電流 總 .這為我們提供了以下驅(qū)動(dòng)級(jí)別：

假設(shè)放大器輸入端的電壓波形是正弦的，我們可以使用

并將驅(qū)動(dòng)器級(jí)別計(jì)算為：

通過(guò)測(cè)量晶體電壓找到驅(qū)動(dòng)電平

為了徹底起見(jiàn)，我想提一下有時(shí)用于計(jì)算驅(qū)動(dòng)電平的另一個(gè)方程。 該方法基于測(cè)量晶體兩端的電壓。

我們知道，在共振時(shí)，晶體模型中運(yùn)動(dòng)分支阻抗的大?。↙ 的串聯(lián)組合 m ， Cm和 R m ） 等于 C 并聯(lián)組合的阻抗大小L 和 C 0 .因此，我們可以通過(guò)以下方式近似流經(jīng)運(yùn)動(dòng)臂的RMS電流：

其中 V水晶，有效值 表示在晶體兩端測(cè)得的均方根電壓。 驅(qū)動(dòng)器級(jí)別可通過(guò)以下方式找到：

假設(shè)晶體電壓是峰值為V 的正弦波形 p ，我們可以代入 V~水晶，有效值 ~跟 在p√2在p2 并獲得以下等式：

這 CC26xx 和 CC13xx 系列無(wú)線(xiàn) MCUTI 提供返回晶體振蕩電壓幅度（以 mV 為單位）的功能。 有了振蕩幅度，我們可以很容易地應(yīng)用上述公式，并在操作過(guò)程中找到晶體驅(qū)動(dòng)電平。 如果超過(guò)額定驅(qū)動(dòng)水平，我們需要重新檢查我們的設(shè)計(jì)，以避免任何晶體可靠性問(wèn)題。