表晶32.768K在电子产品线路中起到的作用是提供频率信号给实时时钟IC。若晶振的频率有所偏移,时间的表示就会不精准。首先了解一个实时案例。客户是做手机的厂商,开发基频电路的设计部门负责设计手机搭载的时钟电路。一般,时钟电路是由音叉型石英晶体振荡器件以及实时时钟IC所构成。
用32.768K的石英晶体振荡器,输入频率信号给IC。IC内部会建构有分频电路,连续除以二进行15回合,产生了1Hz的信号,做成1秒钟。
居里在1880年发现了天然石英晶体具有压电效应,从此就有了压电石英晶体的舞台,在经过人类不断的挖潜与开发,压电石英晶体被制作成各种元器件与工艺品,压电晶体在经过人工培育成功之后,更是有了石英晶体远大的开阔与发展,压电石英晶体,被制作成了石英晶体谐振器,SAW声表面滤波器,而石英晶体又被分为了,无源晶振和有源晶振,又有兆级之分,也有千赫时钟晶体表晶之分,而表晶应用最为广阔的频率是32.768KHZ,居里兄弟压电晶体的发现不但成就了元器件的舞台,还给人类带来了无尽的好处,也成就了一个以依靠时钟起家的企业,这就是日本精工(SEIKO)石英钟表,精工集团同时还研发生产了精工晶振,1969年12月25日对于世界时间是具有历史意义的一天!SEIKO 推出世界上第一只石英表,为人类的时间观念和社会生活带来了莫大的变革。
而石英钟表的作用正是一颗小小的石英晶体谐振器,32.768KHZ,简称为表晶,32.768K晶振后来被广泛应用到各种时钟产品,人类越来越里不开的电子产品之中。比如手机,石英手表,石英挂钟,万年历,等电子数码产品。
问题是手机晶振厂商使用为更小型的石英晶振之后,发觉振荡频率变为32.77075KHz(增加了84ppm)。因此,每一天约超前了7.26秒。一个月下来就超前了3分半,大幅超越了该公司订下的容许范围。(该公司所订的基准是每一个月常温下必须维持1分钟的误差之内。)
很明确的一个答案就是,若晶振频率发生偏差,并非是晶振厂家的问题或者是晶振本身问题,实则最重要的还是晶振的负载电容。还有一个因素就是温度范围的影响。
发生问题后,经过内部的讨论一致认为问题该是出于石英晶振器件的“负载电容”的差异。透过实际的测试之后,原来晶振负载为7pF,新品为12.5pF,却是符合器件厂商的规格。
注:原本采用的石英晶体振荡器件尺寸爱普生晶振MC-1467.0mm×1.5mm×1.4mm,换成了KDS晶振,DST310S晶振,3.2min×1.5mm×0.8mm的小型器件,体积仅有原来的四分之一,可以省空间。
所谓的“负载容量”,通常是指器件发振时振荡电路的负载容量。一般,当负载电容增大时,发振频率跟着变低,这个关系曲线就称为“频率-负载容量特性”,每家振荡器件多不太相同。这是因为振荡器件的振动片设计与电极设计值不同的缘故。
注:发振电路的负载容量是由Cd与Cg两个静电容量以及寄生电容的合成容量。Cd与Cg若是过大,负载容量也会变大。
经过反复更替电路定数,依然不能解决问题。而且,振荡器件的驱动电力激励位阶增大,又有机会破损振荡器件的副作用。
在必须使用IC内藏回授阻抗与Inverter的前提下,也唯有变换另一种振荡器件。若是换回原来7pF的制品,当然没有问题。但是不能达成开发的目标。于是,与晶振厂家长谈之后,换了原来爱普生晶振的产品MC-146晶振,然而负载电容仅有9pF的新品。从新设计发振电路之后,无论频率偏移还是充裕度以及激励位阶都在适当的范围内。最终,解决了困扰手机厂商的问题。
从这一个案例的克服,不难发觉石英晶振器件的发振电路设计,其实是频率偏差、发振充裕度、激励位阶等三个条件满足的连立方程式作业,需要面面俱到。
另外实际的应用上,还需要考虑到温度变化的因素。摄氏25度频率偏差为零,当温度无论是往上还是往下,发振频率会滑落。因此,无妨将表晶发振电路的负载容量做的比振荡器件的负载容量小一点。
如果振荡器件的负载容量与石英晶振发振电路的负载容量不一致时,振荡频率会偏移。于是该客户将原本Cd/Cg的电容值从6pF变更成18pF的电容器,发振电路的负载容量从7pF增加到12.5pF。虽然是配合了,可是却衍生出另一个问题。那就是电路负性阻抗的绝对值100KΩ,充裕度不足(等效串接阻抗45KΩ~75KΩ)。1.3~2倍的发振充裕度,不太符合5~10倍以上的期望值。若是使用环境的温度变迁大的场合,担心表晶会不振荡。