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石英晶體振蕩器高溫情況下不起振解析

來源:http://www.robbia.com.cn 作者:taiheth 2012年05月19

     很多客戶多番向我們“訴苦”說以前在別人家買的晶振在高溫情況下就無動作了,也就是不起振了。希望我們能提供解決方法。這是怎么回事呢?首先了解一個案例

    這是一個USB裝置所使用的控制LSI,組合了48Mhz基準頻率的石英晶體諧振器。發生案例是在數字相機廠商A。發振電路所需要的Inverter、回授阻抗(Rf)內建在LSI里面。 
  為了降低消耗電流,計劃換用了另一個廠商的LSI,結果卻陸續發生了底下幾種狀況: 
  之一,完全不會振蕩。 
  之二,振蕩不穩定,當特定的探棒接觸到電路時,振蕩停止。 
  之三,不會振蕩的狀態,用手接觸基板時卻又會振蕩。 
  之四,低溫的時候可以振蕩,一到高溫就不振了。 
  這究竟是怎么一回事呢?于是廠商A向器件提供廠商求教。依據器件廠商的說明,是出于“負性阻抗”的不足,就難以確保振蕩的滿足條件。那什么是“負性阻抗”呢?這就要從發振電路的等效電路來說起了。 
  從石英晶振器件端,朝Inverter發振電路端看過去的實效阻抗,就是一個“負性阻抗”。這個“負性阻抗”的數值與振蕩頻率息息相關。為了確保振蕩電路的安定性,該負性阻抗的絕對值,必須保證比振蕩器件的等效串行阻抗CI(Crystal Impedance)還要大的多,此乃必要條件。 
  因此,關鍵的問題理清之后,必須掌握“負性阻抗”的絕對值定義。它可以視為“r+CI”。此處的r是插入與石英振蕩器器件串接的電阻,當逐漸調整r到某一個數值,電路就不會震蕩。故,將負性阻抗的測試步驟摘要如下: 
  ·插入與石英振蕩器器件串接的電Far。 
  ·調整r到剛好停止振蕩的狀態之數值 
  ·測量r電阻值 
  這時候,負性阻抗的絕對值就等于“r+CI”。 
  就實用的角度來說,一般的推薦值r/CI約在5~10倍之間。而“r/CI”之值就稱為振蕩的充裕度。需要這個充裕度,是因為衡量到振蕩電路周邊器件的特性偏移,即使經年累月加上溫度的變化,仍然有足夠充裕空間來振蕩的指標。 
  廠商A于是根據這個建議在試作的基板上,進行實際負性阻抗的測量。結果的數據是r約0~15Ω。48MHz石英振蕩器的CI值,最大約40Ω左右。故,適當的r值該是200~40Ω以上。于是判定是發振電路的負性阻抗絕對值太低,充裕度不足(僅有0~0.375)。負性阻抗過小的原因就是出在US8控制器的變更。因為控制LSI內藏的Inverter,回授電阻數值,會隨著變更廠商而變化。 
  一般,LSI若是提供基準頻率的場合,往往會利用到LSI內部的Inverter、回授電阻。也有些廠商的設計思想則是采用回授電阻外接的方式。 
  因為該廠商A換了另一家的USB控制器之后,其Inverter的gm(電導Conductance)以及回授電阻Rf起了變化,其負性阻抗的絕對值變小。廠商A不知該如何來改進,遂將試作的基板交給振蕩器器件供貨商,看是否可以從線路定數來著手。經過測量之后,發現Rd阻尼電阻(Damping)約680D,,非常大。Cg與Cd的靜電容量22pF,稍微大了一點。于是,將Rd換為220Ω:Cg與Cd的容量置換為10pF左右。再度測量,負性阻抗的絕對值收斂在330Ω前后,落在合理的數值范圍內。當變換LSI之后,與LSI連接發振電路的定數,有時候也要跟著修正線路定數。 
  不過,畢竟是負性阻抗的問題。最近,隨著LSI消耗電流的降低以及振蕩器件的小型化,光是變更線路定數也無法調整負性阻抗在合理的范圍的案例也漸漸增加。 
  當然,變更LSI內部Inverter的特性也是解決對策。但是,泛用型的LSI變更幾乎不可能。這時候的解,就是不用LSI內部的Inverter,而是設計獨自的振蕩電路。 
    據了解,有些廠商一致都選擇更改了頻率,認為頻率越小,功耗越小。有的甚至將頻率改到了1M的石英晶振。不知道這篇文章對讀者有沒有幫助了。

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