晶体和晶振看似差不多,有些人甚至认为这两种都是一样的,但对于专业的晶振销售员来说,都知道二者的区别。晶体指的是无源晶振,而晶振则有有源晶振的意思。使用晶振时都要先设计好电路,和匹配的电容等参数,以下是CEOB2B晶振平台提供的石英晶体谐振器的电路评价方法。
使用一款新的晶振,尤其是高频有源晶振,除委托常规型式实验,可委托晶振厂家对晶振及周边电路进行关键参数的评价实验,最重要的有负载电容、负性电阻、激励电平。亦可委托IC厂家对IC和晶振的匹配进行评价。
1、负载电容
晶振典型应用电路如下:
负载电容即为CL
负载电容决定输出频率,CL越大,振荡频率越低,CL越小,振荡频率越高。负载电容还影响负性电阻、决定激励电平、振荡幅值、振荡开始时间等。
2、负性电阻
负性电阻的概念起因于表达晶振负载对IC增益的影响程度。
一款IC的增益曲線,如上图所示。一般的设计都將所需使用的频带设计在最大增益值的左边,其曲线的特性较为稳定。
如上图示,在相同的频寬內,各家的IC設計出來的增益曲线不同,则有不同的增益強度, 也就表示各家IC的抗衰減能力的不同。
上图中黄色曲线为Cg、Cd较低时增益曲线,蓝色曲线为Cg、Cd较高时增益曲线。从图中可以看到不同负载电容,对增益有不同衰减。
由于增益曲线只有IC厂商掌握其特性,但搭配石英晶体谐振器时接不同负载值,对增益的影响是很直接的,所以如上图示,在线路上串接一个电阻-R,去模拟一个衰减因素,来判别该IC的增益特性,这个外加的测试电阻,称之为负性阻抗。
实际测试-R时,会慢慢增加阻值,增益曲线会慢慢衰减,而示波器上也会看到电压的峰峰值,渐渐变小,在最后增益不足后正弦波停止振荡。正弦波停止振荡前的电阻阻值即为负性电阻值。负性电阻需满足的基本条件
一般用途:-R为CI(等效串联电阻)的5倍以上
车载用途:-R为CI(等效串联电阻)的10倍以上
3、激励电平
激励电平的大小取决于水晶片的大小。一般取70—100uA为佳,用激励功率表示时,一般取1—100uW为佳。激励电平的大小直接影响石英晶体的性能,所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规定的激励电平下工作。激励电平太大,石英片振动强,振动区域温度升高,石英片内产生温度梯度,会使频率稳定度降低;激励电平过大,由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移,使频率产生永久性的变化,甚至有时会把石英片振坏;激励电平过大,会使等效电阻增加,Q值下降,电阻温度特性和频率温度特性变得不规则;激励电平过大,容易激起寄生振动,同时还会使老化变大。当然,激励电平过低也会使信噪比变小而影响短期稳定度,激励电平太低,SMD晶振不易起振,影响工作的稳定和可靠性。所以谐振器使用应根据不同的要求严格控制激励电平,更不能为了增大输出而随意提高激励电平。
负载电容与激励电平密切相关,CL变大,激励电平增加,CL变小,激励电平减小。
激励电平的测试与计算如下述:
用小型电流探头测量流经无源石英晶体的电流,用下式算出