晶體震蕩電路的設(shè)計(jì)與量測(cè)整理

10/10在半導(dǎo)體製程技術(shù)的不斷提升下，產(chǎn)品體積大幅縮小，對(duì)功能與運(yùn)算時(shí)脈卻更為要求,因此，本文以晶體震盪電路的設(shè)計(jì)與量測(cè)為題，探討相關(guān)特性與技術(shù)。由於科技的日新月異,IC內(nèi)部的複雜度與精確度較從前大幅提升，所需的時(shí)脈速度也越來(lái)越高，相對(duì)的要求時(shí)脈的穩(wěn)定度與精確度也大幅提昇，如何利用晶體（Crｙstal)來(lái)設(shè)計(jì)與量測(cè)所需的振盪電路，已經(jīng)成為一個(gè)重要的課題，以下我們分成幾個(gè)部分加以討論。

電氣特性?

有鑑於其晶體電氣特性的複雜，我們針對(duì)晶體的電氣特性或是振盪電路有影響的部分,做一詳細(xì)討論，由於陶瓷/晶體的電器特性相似，所以也一併討論。等效電路陶瓷/晶體雖然在電器特性上有些差異，但是等效電路(圖一）是相同的,雖然陶瓷振動(dòng)的諧振現(xiàn)像，可以視為與晶體相同，但主要差異在陶瓷振動(dòng)的振盪頻率,電感L1較小，串聯(lián)電容C１相當(dāng)大，此乃意味著串聯(lián)諧振頻率(fs)與並聯(lián)諧振頻率（fa)差（即fs-fａ）會(huì)變得相當(dāng)寬闊。圖一Crysｔal／Ceramiｃmodel圖二串聯(lián)共振

並聯(lián)共振

當(dāng)晶體工作在串聯(lián)共振時(shí),等效電路（圖二)阻抗在時(shí)是趨近於０，好的串聯(lián)共振線路設(shè)計(jì),與負(fù)載電容無(wú)關(guān)，所以就不需要指定。當(dāng)晶體工作在並聯(lián)共振時(shí)，就像一電感在電路上，因此負(fù)載電容就非常重要，因?yàn)樗梢詻Q定振盪點(diǎn)的位置,如（圖三）所示。而且電抗改變，頻率也跟隨著改變,所以在不同頻率與間，由、L1決定,在並聯(lián)線路的設(shè)計(jì)上，負(fù)載電容是需要指定的,如（圖四）所示。圖三並聯(lián)共振頻率區(qū)域?圖四並聯(lián)共振AＴ-CUＴ與ＢT－CUT典型的AT－ＣUT曲線是S形，BT－ＣUT曲線是拋物線形,如（圖五)所示；兩種Cuｔ都對(duì)稱於室溫(25℃±3℃）。在相同的頻率下,BT-ＣUＴ的Quartzblank相對(duì)的比Ａ-CUＴ厚，因此提供較好的Yield與低單價(jià)，在選擇適當(dāng)?shù)那懈钋?，要注意的是他們所擁有的不同移?dòng)參數(shù)和頻率ＶS溫度特性。圖五溫度曲線圖改變負(fù)載電容和PullａbilitｙＰuｌlabiｌitｙ是定義頻率與負(fù)載電容的關(guān)係,而負(fù)載電容是指與晶體串聯(lián)或是並聯(lián)的電容。如果晶體工作在並聯(lián)振盪時(shí)，晶體就會(huì)等效於電感，當(dāng)電抗改變時(shí)，頻率也會(huì)跟著改變,不同的頻率在與間,由晶體的與CL決定。(公式一)相同的晶體在３倍頻工作模式下，Pullaｂiｌiｔy影響較小，因?yàn)镃1在3倍頻模式下的電容值是在基頻下的約１/９。

如果ＣＬ小或者是Ｃ1大,則頻率的靈敏度就會(huì)提升,導(dǎo)致在較小負(fù)載電容的情況下,設(shè)計(jì)和控制準(zhǔn)確頻率的難度很高。OｖertoｎeＣｒyｓtaｌ倍頻的晶體架構(gòu)（圖六),為基頻的奇數(shù)倍.圖六oｖertｏnｅcrystａlmoｄｅlCrｙｓtal的基本參數(shù)（公式二)（公式三)（公式四）（公式五)Ｃhangefreｑuency（serｉaltoｐaｒalｌel）

振盪原理

在瞭解晶體的電器特性後，我們可以來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的振盪器，使用放大器來(lái)設(shè)計(jì)振盪線路，必須滿足在起振頻率點(diǎn)的兩個(gè)條件：

（1)必須為正迴授,即在輸入與輸出的相位相差３６０度。

（2)在起振頻率開迴路增益必須大於一.就像Ｂaｒｋhauｓen所提的法則，共振器必須把需求頻率以外的增益抑制，並提供所需的相位偏移.(圖七)是描述兩個(gè)最普遍的振盪配置圖，是使用反相器來(lái)做振盪，是目前最受歡迎的設(shè)計(jì)方式。圖七(a）串聯(lián)共振振盪器（b)並聯(lián)共振振盪器為完整起見,我們也畫出使用離散元件來(lái)設(shè)計(jì)振盪電路,如(圖八）所示.我們使用雙極性或單極性電晶體來(lái)達(dá)成,今天這些振盪器似乎被限定在專門的應(yīng)用或是非常便宜的玩具上。圖八（a)Piｅrce振盪器（b）Coｌpｉtts振盪器(ｃ）Claｐp振盪器考慮串聯(lián)振盪如圖七(a）所示，兩個(gè)反向器達(dá)成３60度的相位移，當(dāng)晶體在起振頻率時(shí)，阻抗相當(dāng)於R１，有最少衰減。第一個(gè)反向器上的電阻是提供一個(gè)偏壓,使它能工作在線性區(qū).第二個(gè)反向器驅(qū)動(dòng)晶體振盪出方波。由於晶體的高Q值和反向器的增益在高頻時(shí)會(huì)急遽下降,方波所包含的諧波被壓抑，所以sineｗave可以在第一個(gè)反向器輸入端觀察到。並聯(lián)共振,如圖七(b），是目前被使用最多的方法，通常被當(dāng)作IC內(nèi)部clock使用。不像串聯(lián)共振，它只需要一個(gè)反向器提供一個(gè)18０度的位移，剩下的90度位移由R2C2來(lái)提供,晶體本身振動(dòng)在串聯(lián)諧振,晶體內(nèi)部的Ｒ連同Ｃ1增加９０度,全部共移動(dòng)360度，R1是提供反向器工作在線性區(qū).如果有足夠的增益在晶體的振盪頻率，就可以滿足Barkhausen法則。

理論上，Cｒｙsｔａl工作應(yīng)如上述所說(shuō),但實(shí)際上並非這樣。首先，特別是在高頻，反向器會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部的延遲，導(dǎo)致相位會(huì)大於180度，大約在185度以內(nèi)。再來(lái)就是R2C２在實(shí)際的情況下，相位偏移量會(huì)小於90度，大約在７3度，所以如果要使晶體振盪，則必須移動(dòng)串聯(lián)共振點(diǎn)，改變晶體阻抗(即晶體內(nèi)部的Ｒ與電感），直到相位偏移36０度為止,這就是為什麼我們可以改變外部電容時(shí),就可以改變晶體的振盪頻率。同樣的,串聯(lián)共振通常需要一個(gè)串聯(lián)電容C１，如圖七(a)所示，來(lái)做相位補(bǔ)償。?振盪器設(shè)計(jì)?

如何組合上述所說(shuō)的去建立一個(gè)振盪器呢?使用一個(gè)放大器來(lái)做振盪,是一件很容易的事情,但是通常不受歡迎,因?yàn)檎癖U穩(wěn)定性是一件很難去預(yù)測(cè)的問(wèn)題.使用簡(jiǎn)單的六個(gè)元件所組成的振盪器會(huì)有很多小問(wèn)題。少數(shù)的元件有足夠的特性來(lái)做準(zhǔn)確的計(jì)算,而且元件的誤差容忍度會(huì)使計(jì)算出來(lái)的值多到無(wú)法處理.

現(xiàn)在越來(lái)越多的IC內(nèi)部線路，需要準(zhǔn)確地時(shí)脈來(lái)當(dāng)作整個(gè)IC的時(shí)脈，通常我們使用Piｅrcｅ線路如(圖九)所示，即外加兩個(gè)電容Ｃ１、Ｃ2，大約是在20~30pF.但是這不能阻止問(wèn)題的發(fā)生，特別是大量製造的一致性，例如在大量生產(chǎn)時(shí),晶體內(nèi)的漏電阻Ｒ值的偏差，結(jié)合內(nèi)部CMOS放大器，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致開回路增益下降至"1"以下,這意味著時(shí)脈將停止振盪。圖九Pｉercｅ在實(shí)際應(yīng)用上,我們很難去偵測(cè)到這振盪線路是否工作在臨界系統(tǒng)中,因?yàn)樗霈F(xiàn)非經(jīng)常性的錯(cuò)誤。例如在啟動(dòng)時(shí)脈時(shí)，問(wèn)題會(huì)隨著溫度的上升或下降而趨於嚴(yán)重。另外一個(gè)問(wèn)題是增益太大時(shí)，可能會(huì)造成晶體起振在oveｒtone頻率上,更慘的狀況是，由於在晶體內(nèi)唯一消耗能量的只有晶體內(nèi)的R值，驅(qū)散太多的熱能會(huì)導(dǎo)致晶體破裂。

要計(jì)算晶體所消耗的能量,需要知道有多少電流通過(guò)晶體,由於電壓橫跨晶體包含的反應(yīng)元件，所以不常使用;量測(cè)電流，我們通常使用電流探棒,或者插入一小電阻在反向器輸出與晶體間，如圖七(b）中R2所示,並量測(cè)其跨在電阻上的電壓。晶體規(guī)格中在最大的消耗功率上，通常是mＷ的級(jí)數(shù).過(guò)度的能量會(huì)經(jīng)由串聯(lián)電阻R2來(lái)消耗，但是需要注意的是，這個(gè)電阻會(huì)有開回路增益下降的情形,可能導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題或是頻率發(fā)生不穩(wěn)的狀況，如上所述。

振盪線路需考量因素

?放大器與反饋電阻假設(shè)IC內(nèi)部元件包含了放大器、反饋電阻和輸出阻抗，由於是CMＯS放大器，所以放大器模型為互導(dǎo)放大器（ｔraｎscｏnｄｕctａncｅamｐlifier），規(guī)格為（公式六）我們得知若要符合振盪條件,則閉回路增益需大於"1"，即希望在所需的工作頻率裡，乘上迴授阻抗Z值大於”1"。放大器的增益是可以被量測(cè)的,如(圖十）、（圖十一)所示,我們需要量測(cè)是否有足夠的增益在我們需要的頻率和設(shè)計(jì)極限.

增益對(duì)溫度以及頻率對(duì)電壓也是我們重視項(xiàng)目之一,開始的增益與振盪的維持需，如(圖十二）所示,符合下列式子：（公式七)輸出阻抗會(huì)限制XTAL功率輸出和提供小的相位移(與Couｔ)圖十增益量測(cè)圖十一互導(dǎo)量測(cè)圖十二石英振盪架構(gòu)圖負(fù)載電容如果負(fù)載電容太大，振盪器就會(huì)因?yàn)樵诠ぷ黝l率的迴授增益太低而不會(huì)啟動(dòng),這是因?yàn)樨?fù)載電容阻抗的關(guān)係,大的負(fù)載電容會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間。但是若負(fù)載電容太小，會(huì)出現(xiàn)不是不起振（因?yàn)檎麄€(gè)迴路相位偏移不夠)就是振在第3、5、7泛音（ovｅrtｏne)頻率。電容的誤差是需要考量的,一般而言陶瓷電容的誤差在±10％，可以滿足一般應(yīng)用需要。所以若要有一個(gè)可靠且快速起振的振盪器，在沒有導(dǎo)致工作在泛音頻率下，負(fù)載電容應(yīng)越小越好.反饋?lái)?xiàng)目下列描述設(shè)計(jì)振盪器所需的典型石英參數(shù)規(guī)格：1、驅(qū)動(dòng)能力:由於ＡＴcut石英振盪器是設(shè)計(jì)在能承受較高的驅(qū)動(dòng)功率（5－１０mWmax）,所以若選擇ATｃut的石英振盪器，工作在頻率大於1MHz且電壓為5V。典型的計(jì)算晶體消耗功率如下：（公式八)R為晶體內(nèi)部的電阻

Ｃ為晶體內(nèi)部的兩電容值相加C＝C1+C0若電阻為４0歐姆,電容為20pＦ，則在工作頻率在１6MHz時(shí)，所消耗的功率為2mW。2、串聯(lián)阻抗:較低的串聯(lián)阻抗會(huì)有較好的表現(xiàn)，但是需要的成本較高；較高的串聯(lián)阻抗會(huì)導(dǎo)致能量的損耗和較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間,但是可以降低Ｃ１，Ｃ２來(lái)補(bǔ)償。這個(gè)值的範(fàn)圍大概在1MHz2００歐姆到20MＨｚ15歐姆左右.３、頻率：在並聯(lián)共振線路中的振盪頻率,有９9．5%的頻率決定在晶體,外部的元件約只佔(zhàn)0。5％,所以外部元件C1、C2和佈線主要在決定於啟動(dòng)與可信賴程度。典型的初始誤差為±1％，溫度變化（－3０到10０度）為±０。00５％，元件老化約為±0.00５％?泛音晶體振盪

在早期，晶體在基本波振盪下，頻率界線為2０MHz，當(dāng)然市售的晶體振盪基本波也有高於20ＭHｚ以上，由於售價(jià)較高，較少人使用。然而晶體製造技術(shù)隨時(shí)間而提升，一般而言,基頻做到4０MＨz以上都不再是問(wèn)題,但是高於40MHz時(shí),基頻振盪所需的費(fèi)用就會(huì)高出許多，所以在此之上的頻率有所需要時(shí),可以利用頻率有倍頻的特性來(lái)得到高頻的方法，不過(guò)頻率倍頻電路元件既多且複雜,而且需要調(diào)整,假如在１0０ＭＨｚ以下，則我們可以使用泛音（ovｅｒtone)振盪線路，就可以使頻率振盪在基本波的3倍、5倍、７倍.基本上使用第3的泛音線路和基本波頻率線路差不多，差異在於迴授電阻值較小，一般調(diào)整振盪頻率的方式是調(diào)整迴授電阻Ｒｆ，從1M開始往下做調(diào)整,通常典型值約在2Ｋ到6K。

在第3泛音模式下,通常我們會(huì)加一個(gè)電感與電容，這個(gè)線路主要在壓制基頻,如(圖十三)所示,在第３泛音晶體振盪線路中，選擇Ｌ與Ｃ元件值來(lái)達(dá)成下列條件:圖十三串聯(lián)共振線路圖十三中，Ｌ、Ｃ所組成的形式為串聯(lián)共振線路，指定在一個(gè)的基頻頻率上做ｎotch濾波,把基頻濾掉，所以這個(gè)線路並不支援在基頻共振線路上。L、C所組成濾波部分,可以放在放大器的左邊或是右邊,不論如何，此濾波部分放在輸出地方會(huì)比較適當(dāng)，因?yàn)樗梢栽谛盘?hào)進(jìn)入晶體前幫忙清掉不要的頻率。

通常除了我們所需要的諧振外(如基本波、３rｄovｅrtone