【技术】无源晶振不起振、输出频率有偏差的解决方案

时间： 2017-06-25 来源：世强作者：Carol

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相信很多工程师在做无源晶振设计时，会遇到无源晶振不起振或者输出频率有偏差的现象，有些工程师会凭借经验来解决这样的问题，也有很多工程师可能就束手无策，不知道该从何查找原因？本文将从原理上为大家讲解如何避免出现这种问题，并对无源晶振进行更合理选型。

影响无源晶振稳定性的主要有以下几个参数：驱动功率、负载电容和负性阻抗。图一为无源晶振的基本电路。外部的无源晶振、匹配电容和IC内部的驱动部分一起组成整个的振荡电路。

图1：无源晶振的基本电路

1）驱动功率
驱动功率表示振荡晶体单元所需的电功率。如果驱动功率太小不足以驱动无源晶振，则会导致晶振不起振；如果驱动功率过大，则会导致输出频率偏移。这是因为功率过大会造成晶体的应力，从而导致温度升高。如果在晶体单元上施加过多的驱动功率，可能会使晶体恶化甚至损坏其特性。驱动功率可以通过下面的公式计算：

Drive Level ＝ I²•Re （W）

其中，I表示通过晶体单元的电流，Re表示晶体单元的等效电阻。

那么如何避免这种问题呢？电阻RD常用来防止晶振被过分驱动，可用一台示波器检测OSC输出脚，如果检测到非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰，波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻RD来防止晶振被过分驱动。判断电阻RD大小的最简单的方法就是串联一个微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正弦波不在被削平为止，通过此办法就可以找到最接近的电阻RD值。

2）负载电容
理论上，当无源晶振电路的等效电容等于负载电容时，无源晶振输出的频率最准确。而电容具有充放电的功能，电容容值越大，放电越慢，电容容值越小，放电越快。如果测得的实际频率比理论值偏小，说明振荡器振荡频率偏慢，电容的放电太慢，等效电容大于负载电容，需要降低外部的匹配电容。负载电容公式如下：

CL=（CG//CD）+CS

即：CL=[（CGxCD）/（CG+CD）]+CS

其中，CG、CD表示匹配电容，CS表示杂散电容。

图2为频率容限和负载电容的特性关系，从曲线图可以看到负载电容越大，频率容限越小，输出的频率越容易调准。

图2：频偏容限和负载电容的特性关系

3）负性阻抗
负性阻抗是用来评价振荡回路品质（Q）的指标。在某些情况下（老化，温度变化，电压变化…等），振荡回路会失效，回路可能不起振，因此负性阻抗（Negative resistance，-R）的确认就变得相对重要。稳定的振荡回路，负性阻抗（-R）至少为Crystal阻抗的5倍以上。

负性阻抗的测试方法如下：

图3

1> 串联电阻R到Crystal的输出端（Xout）；
2> 调整R值，使Crystal由起振至停止振荡；
3> 当电路由起振至停止振荡时，测量R值；
4> 得到负性阻抗|-R|=R+Re，Re=R1（1+C0/CL）^2，R1就是ESR的值。

通过上面的分析，负载电容CL是非常重要的因素。例如，负载电容小的晶体，驱动功率小，消耗电流小，启动时间短，容易起振，同时也使频率容限大和更坏的频率稳定度，如下图。因此在无源晶振选型时，需要充分考虑到这些特性，这样才能设计出可靠的产品。

表1

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全部评论（172）

有容乃大 Lv9 科学家 2018-12-26

32768Hz晶振出现超差究竟是什么原因？厂家质量控制有问题吗？
- 有容乃大回复： 32768晶振在规格书中有详细要求，比如频差±5ppm等，其中受温度，设备等因素对测试结果影响较大，排除此类因素，有可能是材料的质量原因。
  查看全部1条回复
北冥之鲲 Lv8 2019-01-03

负载电容是无源晶振频偏的最重要指标，选型过程中要根据需求选择适中的负载电容晶振。
芬里安 Lv7. 资深专家 2019-06-10

学习了
孙梦 Lv7. 资深专家 2019-01-23

学习
用户83734992 Lv6. 高级专家 2019-01-23

学习

Dexter Lv7 2019-01-22

不错的经验～学习
V766 Lv7. 资深专家 2019-01-21

学习了
aran Lv7. 资深专家 2019-01-19

资料不错，值得学习。
红土地 Lv7. 资深专家 2019-01-18

学习了
情始皇 Lv5. 技术专家 2019-01-16

学习

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