前言
我们设计晶体回路时,总能遇见各种各样的问题,比如晶体回路频率不准,温度变化精度不准。本来在实验室测得很好的状态,可是大批量生产时有不起振的,或是工作一段时间有不工作的现象。总而言之关于晶体震荡回路总是有这样或那样的问题。今天帮大家整理一下思路,总结一下到底有哪些问题,该怎么解决。
震荡回路介绍
处理晶振回路之前,我们先简单要了解一下晶体基本知识:晶体分为晶体单元和晶体振荡器。
晶体单元,也就是我们通常会发生问题器件,它是无源晶体,需要外接两个负载电容。我们主要说明的就是这类震荡回路。
晶体振荡器属于有源器件,只要供电就会工作中,所以出现问题的可能性很小。今天不做分析。
晶体单元有几个重要的参数,我们需要了解一下和它的标准震荡回路。
图1晶体单元标准回路
Rf:反馈电阻,一般在IC内部。设计前要查明是否需要外接,一般时10M,20M。
反相器等:IC内部
Cg和Cd:外接电容,通过调整大小可以改变频率,功耗,起振能力等指标。
Rd: 限流电阻,很多设计是不用的。它是避免震荡回路电流过大,起到限流的作用。
1 晶体元件频率 Nominal Frequency
晶体元件频率(Nominal Frequency),也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数。晶振常用标称频率在1~200MHz之间,比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等,更高的输出频率也常用PLL(锁相环)将低频进行倍频至1GHz以上。我们称之为标称频率。
2 频率误差 Frequency Tolerance
频率误差(Frequency Tolerance)或频率稳定度(Frequency Stability),用单位ppm来表示,即百万分之一(parts per million)(10-6),是相对标称频率的变化量,此值越小表示精度越高。比如,12MHz晶振偏差为±20ppm,表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz,即频率范围是(11999760~12000240Hz)
3 等效电阻 Equivalent Series Resistance
等效电阻,ESR,或是R1或是CI。都是指等效电阻的意思。
4 负载电容CL Load capacitance
晶体负载电容CL,就是晶体规格书标出的值,是指整个外围电容有效电容的总和。根据表格看,就是说当CL=6pf时(外挂俩个电容,寄生电容),输出的频率32.768KHz在± 10ppm范围内。
问题分析
失效现象主要分类
1. 时钟不准确超出厂商规格、通讯错误、IC通讯异常等。
2. 大批量生产时有晶体不震动现象。
3. 发货前没有问题,经过一段时间晶体回路不工作。
无论哪种失效类型,我们都要考虑晶体本身可能坏掉,尽管晶体出厂就是坏品的可能性非常低。这个最好分析的,直接交给原厂直接做质量分析即可。我们这里不做介绍。
分析问题我们都要有个思路,我们用“分析试问题解决”思路来处理,即:现象-问题(问题带来的影响)-原因-对策-风险
主要问题
根据现象首先要精炼出对应问题,问题一般有如下几种:
1 精度出现偏差。
2 晶体回路起振能力不好。
3 晶体回路功耗过大。
4 晶体本身损坏。
5 其他问题。
对策
然后原因分析,对策,风险预估。我们用一个表格来归类说明。
例如:CE测试
CE测试(Crystal Evaluation),主要评估无源晶体回路特性,帮助客户可靠的使用晶体器件,评估客户当前电路板晶体回路特性。
常规测试是通过调节负载、电容等,来评估当前晶体回路的频偏、起振能力(-R)、驱动功率。
下面有6张详情图片,我们一起来看看吧!
1、石英晶体振荡电路设计概要
2、杂散电容计算方式
3、负载电容的调整
4、驱动标准
5、负电阻
6、晶体产品方案设计温度曲线图
总结
当晶体回路出现问题时,首先要根据现象,找出问题所在,是频率还是起振或其他问题等。然后做几个交叉试验,排除是否是晶体损坏带来的影响。如果不是,把电路板交给原厂做个回路分析。最后根据分析的结果在做下一步处理,换电容,换晶体,或是调整IC。
审核编辑:汤梓红
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