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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(fā)生案例是在數(shù)字相機廠商A。發(fā)振電路所需要的Inverter、回授阻抗(Rf)內(nèi)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(xù)發(fā)生了底下幾種狀況: 
  之一,完全不會振蕩。 
  之二,振蕩不穩(wěn)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(tài),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(jù)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(fā)振電路的等效電路來說起了。 
  從石英晶振器件端,朝Inverter發(fā)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(shù)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(shù)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(tài)之數(shù)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(jīng)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(jù)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(shù)據(jù)是r約0~15Ω。48MHz石英振蕩器的CI值,最大約40Ω左右。故,適當?shù)膔值該是200~40Ω以上。于是判定是發(fā)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(nèi)藏的Inverter,回授電阻數(shù)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(nèi)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(shù)來著手。經(jīng)過測量之后,發(fā)現(xiàn)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(shù)值范圍內(nèi)。當變換LSI之后,與LSI連接發(fā)振電路的定數(shù),有時候也要跟著修正線路定數(shù)。 
  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(shù)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(nèi)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(nèi)部的Inverter,而是設計獨自的振蕩電路。 
    據(jù)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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