32.768K晶振振蕩頻率產生變化原因分析極其解決方法
32.768K晶振廣泛的運用打到石英表,手機到家庭內的各種家電產品以及數字線路板等。是KHZ頻帶音叉型振蕩器器件。分插件和貼片晶振兩種,晶振的作用是提供頻率信號給實時時鐘IC。若晶振的頻率有所偏移,時間的表示就會不精準。首先了解一個實時案例
客戶是做手機的廠商,開發基頻電路的設計部門負責設計手機搭載的時鐘電路。一般,時鐘電路是由音叉型振蕩器件以及實時時鐘IC所構成。
用32.768K晶振的振蕩器件,輸入頻率信號給IC。IC內部會建構有分頻電路,連續除以二進行15回合,產生了1Hz的信號,做成1秒鐘。
問題的發生是手機廠商變更為更小型的晶振之后,發覺振蕩頻率變為32.77075KHz(增加了84ppm)。因此,每一天約超前了7.26秒。一個月下來就超前了3分半,大幅超越了該公司訂下的容許范圍。(該公司所訂的基準是每一個月常溫下必須維持1分鐘的誤差之內。)
注:原本采用的振蕩器件尺寸7.0mm×1.5mm×1.4mm,換成了3.2min×1.5mm×0.8mm的小型器件,體積僅有原來的四分之一,可以省空間。
發生問題后,經過內部的討論一致認為問題該是出于振蕩器件的“負載電容”的差異。透過實際的測試之后,原來晶振負載為7pF,新品為12.5pF,卻是符合器件廠商的規格。
所謂的“負載容量”,通常是指器件發振時振蕩電路的負載容量。一般,當負載電容增大時,發振頻率跟著變低,這個關系曲線就稱為“頻率-負載容量特性”,每家振蕩器件多不太相同。這是因為振蕩器件的振動片設計與電極設計值不同的緣故。
注:發振電路的負載容量是由Cd與Cg兩個靜電容量以及寄生電容的合成容量。Cd與Cg若是過大,負載容量也會變大。
如果振蕩器件的負載容量與發振電路的負載容量不一致時,振蕩頻率會偏移。于是該客戶將原本Cd/Cg的電容值從6pF變更成18pF的電容器,發振電路的負載容量從7pF增加到12.5pF。雖然是配合了,可是卻衍生出另一個問題。那就是電路負性阻抗的絕對值100KΩ,充裕度不足(等效串接阻抗45KΩ~75KΩ)。1.3~2倍的發振充裕度,不太符合5~10倍以上的期望值。若是使用環境的溫度變遷大的場合,擔心不會振蕩。
經過反復更替電路定數,依然不能解決問題。而且,振蕩器件的驅動電力激勵位階增大,又有機會破損振蕩器件的副作用。
在必須使用IC內藏回授阻抗與Inverter的前提下,也唯有變換另一種振蕩器件。若是換回原來7pF的石英晶振,當然沒有問題。但是不能達成開發的目標。于是,與器件提供廠商長談之后,換了品名與外型一樣,然而負載電容僅有9pF的新品。從新設計發振電路之后,無論頻率偏移還是充裕度以及激勵位階都在適當的范圍內。最終,解決了困擾廠商B的問題。
從這一個案例的克服,不難發覺振蕩器件的發振電路設計,其實是頻率偏差、發振充裕度、激勵位階等三個條件滿足的連立方程式作業,需要面面俱到。
另外實際的應用上,還需要考慮到溫度變化的因素。攝氏25度頻率偏差為零,當溫度無論是往上還是往下,發振頻率會滑落。因此,無妨將發振電路的負載容量做的比振蕩器件的負載容量小一點。
很明確的一個答案就是,若晶振頻率發生偏差,并非是晶振廠商的問題或者是晶振本身問題,實則最重要的還是晶振的負載電容。還有一個因素就是溫度范圍的影響。
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