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KDS關(guān)于振蕩電路的討論方法

1 .關(guān)于振蕩電路

石英振子是無(wú)源部件，無(wú)源晶振，因此會(huì)受到電源電壓、環(huán)境溫度、電路結(jié)構(gòu)、電路常數(shù)、基板的布線圖案等的影響。大致分為正常動(dòng)作和異常動(dòng)作兩種。因此，設(shè)計(jì)振蕩電路時(shí)，前提條件是使石英振子穩(wěn)定且可靠地振蕩。確認(rèn)后，將討論頻率精度、頻率的可變量、調(diào)制度、振蕩開(kāi)始時(shí)間、振蕩波形等以下項(xiàng)目。

2 .零部件的作用和大致標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值

圖-1

設(shè)計(jì)振蕩電路時(shí)，需要認(rèn)識(shí)各個(gè)部件的作用。因此，使用通用C-MOS IC (東芝制74HCU04AP )的振蕩電路(圖-1)為例，表-1向說(shuō)明各自的作用。

表-1因此，在未安裝反饋電阻( Rf )的情況下，即使對(duì)振蕩電路施加電源，振子也不會(huì)開(kāi)始振蕩。另外，如果不連接適當(dāng)值的電阻，則可能無(wú)法以正規(guī)的振動(dòng)模式進(jìn)行振蕩，從而產(chǎn)生諧波振蕩或基波振蕩。一般來(lái)說(shuō)，基波振子( MHz頻帶)的情況下為1MΩ，諧波振子( MHz頻帶)的情況下，數(shù)值根據(jù)IC的特性和頻率而不同，但在數(shù)kω~數(shù)十kω的范圍內(nèi)。音叉型振子( kHz頻段)時(shí)，需要連接10MΩ或以上的電阻。

表-1

零件編號(hào)	各部件的名稱	作用
射頻	返回	從振蕩級(jí)逆變器輸出側(cè)反饋電流及信號(hào)，繼續(xù)振子的振蕩。根據(jù)振蕩次數(shù)不同，值會(huì)發(fā)生變化。
Rd	限制阻力	控制流入振子的電流，調(diào)整負(fù)電阻和激勵(lì)電平，防止振子的異常振蕩和抑制頻率變動(dòng)。
C1、C2	外置電容器	調(diào)整負(fù)電阻、激勵(lì)電平、振蕩頻率。另外，設(shè)定為任意的負(fù)載容量。

限制電阻( Rd )的合適值因振子的類型、頻帶以及外置電容器( C1、C2 )的值而異。準(zhǔn)確的數(shù)值是在測(cè)量振蕩電路的特性(負(fù)電阻、激勵(lì)電平、其他)后決定的。 AT切振子( MHz頻帶)的標(biāo)準(zhǔn)為百ω臺(tái)~幾kω臺(tái)，音叉型振子( kHz頻帶)的標(biāo)準(zhǔn)為100kΩ~幾百kω。

外置電容器的最佳值因振子的類型、頻帶、限制電阻的值及振蕩次數(shù)而異，大致為3pF~33pF左右。

3 .振蕩電路的討論項(xiàng)目及方法

振蕩頻率的測(cè)定

貼片晶振需要用正確的測(cè)量方法測(cè)量安裝，在電路上的振子的振蕩頻率的真值。振蕩頻率的測(cè)量一般使用探針和頻率計(jì)數(shù)器，但如何減少測(cè)量工具的影響進(jìn)行測(cè)量是關(guān)鍵。

頻率測(cè)量方法存在3種模式，請(qǐng)參閱下圖(圖-2、圖-3、圖-4)來(lái)上載修改后的文件。最準(zhǔn)確的測(cè)量方法是使用能夠以非接觸方式測(cè)量振蕩電路的頻譜分析儀。
圖-2將振蕩電路的輸出輸入到下一級(jí)反相器，測(cè)量來(lái)自緩沖器的輸出，因此不受探針的影響。
圖-3因?yàn)槭菑腎C測(cè)量緩沖輸出(1/1、1/2等)，所以不受探針的影響。
圖-4在沒(méi)有來(lái)自集成電路的緩沖輸出的情況下，通過(guò)在輸出點(diǎn)(集成電路的XTAL OUT引腳)和探針之間插入3pF以下的小電容器進(jìn)行測(cè)量，將探針的影響降到最低。
但是，由于該方法會(huì)減小輸出波形，因此即使在示波器上能夠確認(rèn)振蕩波形，根據(jù)頻率計(jì)數(shù)器的靈敏度不同，有時(shí)也無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)，請(qǐng)使用放大器等進(jìn)行測(cè)量。

圖-2

圖-3

圖-4

圖-5

另外，振蕩頻率因測(cè)量位置而異。
①測(cè)量緩沖輸出時(shí)
②測(cè)量振蕩段的輸出時(shí)
③通過(guò)電容器測(cè)量振蕩段的輸出時(shí)

圖-5表示在上述3個(gè)地方的測(cè)量，在緩沖輸出以外，由于探針的影響而測(cè)量的頻率顯示為較低。

4 .負(fù)電阻測(cè)量

為了確認(rèn)振蕩電路有多少振蕩馀量而進(jìn)行的測(cè)量，根據(jù)得到的數(shù)值來(lái)預(yù)測(cè)振蕩的穩(wěn)定度。圖-6所示，在振子上串聯(lián)連接電阻( r )，增大值后，超過(guò)某個(gè)電阻值時(shí)振子將不再振蕩。即將不再振蕩之前的電阻值為負(fù)電阻的值。

圖-6

【注意事項(xiàng)】注意事項(xiàng)如下。

- - 根據(jù)振蕩頻率的測(cè)量點(diǎn)，使用示波器根據(jù)有無(wú)振蕩波形進(jìn)行判斷。
  - 確認(rèn)使用電壓范圍的最小值也能充分確保。
  - 相對(duì)于常溫下的測(cè)量結(jié)果，改變溫度進(jìn)行確認(rèn)。
    (根據(jù)使用溫度范圍，分別使用吹風(fēng)機(jī)、驟冷劑、恒溫槽等)
  - 以能否確保為所用振子的串聯(lián)電阻標(biāo)準(zhǔn)值的5倍以上為標(biāo)準(zhǔn)。

※但是，這些標(biāo)準(zhǔn)值可能會(huì)有所變更，恕不另行通知。

5 .激勵(lì)水平測(cè)量

測(cè)量在使用的振蕩電路中，振子工作時(shí)消耗的功率。圖-7如所示，使用電流探針測(cè)量流入振子的電流( I )。 (本公司使用P6022/Tektronix公司制造)

雖然可以用其他方法進(jìn)行測(cè)量，但使用探針接觸的方法時(shí)，電流會(huì)從探針流入GND，因此無(wú)法獲得真值。

圖-7

計(jì)算公式
計(jì)算公式DL (激勵(lì)等級(jí): w ) =i2×R1 i(A ) :電流(有效值) R1(Ω) :振子的串聯(lián)電阻

【注意事項(xiàng)】

振子正常動(dòng)作的最大值因振子的形狀、振蕩模式而異，詳情請(qǐng)咨詢本公司。

6 .異常振蕩的確認(rèn)

在使用的振蕩電路中，確認(rèn)振子有無(wú)可能以正常振蕩模式以外的模式振蕩。

高振蕩模式(從基波向3rd .泛音振蕩的容易度)的簡(jiǎn)易確認(rèn)方法是，圖-9如所示，石英晶振，振子的振蕩模式為基波時(shí)，即使在用水輕輕濕潤(rùn)的手指捏住振子的引腳( 2根)的狀態(tài)下關(guān)閉→打開(kāi)電源后再放開(kāi)手指，如果示波器的波形沒(méi)有進(jìn)行3rd .諧波振蕩，也可以判斷為沒(méi)有異常振蕩的可能性。

相反，即使放開(kāi)手指，如果示波器波形發(fā)生3rd .泛音振蕩，也可以判斷有可能發(fā)生異常振蕩。用水濕潤(rùn)手指進(jìn)行確認(rèn)是因?yàn)樵谡褡佣俗又g形成了小的電阻，圖-8這是為了減小中的電路圖的Rf，使高頻域的振蕩變得容易。

圖-8

沒(méi)有問(wèn)題的情況

有問(wèn)題時(shí)

圖-9

7 .振蕩電路引起的不良癥狀及其對(duì)策示例

在設(shè)計(jì)晶體振蕩電路時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)各種不良癥狀。

例如，

- 1. 實(shí)機(jī)中的頻率精度非常嚴(yán)格，但無(wú)法控制在所需的頻率范圍內(nèi)。
  2. 雖然是調(diào)整頻率的電路，但是不能調(diào)整頻率。
  3. 出現(xiàn)正規(guī)頻率的約1/3或約3倍的頻率。
  4. 啟動(dòng)電源時(shí)振子的振蕩開(kāi)始時(shí)間非常慢。
  5. 振子不振蕩，或者到開(kāi)始振蕩為止的時(shí)間很長(zhǎng)。

等各種癥狀。

因此，為了不發(fā)生這樣的癥狀，至少需要針對(duì)上述振蕩電路研究基本項(xiàng)目。在此，如果為了解決故障癥狀而不需要變更振子的規(guī)格時(shí)，可以比較簡(jiǎn)單地在電路側(cè)采取對(duì)策。（表-2參照)

但是，即使故障癥狀得到改善，很多情況下其他振蕩電路的特性也無(wú)法滿足，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生其他故障，因此需要本公司對(duì)電路進(jìn)行研究。另外，對(duì)于即使嘗試了對(duì)策事例也無(wú)法解決的情況，如果有需求的話，我們公司會(huì)進(jìn)行討論，請(qǐng)與營(yíng)業(yè)負(fù)責(zé)人聯(lián)系。

表-2

不良反應(yīng)	原因	對(duì)策一例
頻率偏移	振子的負(fù)載容量與振蕩電路的負(fù)載容量不匹配。	變更電路常數(shù)( C1、C2 )。
頻率偏移	振子的負(fù)載容量與振蕩電路的負(fù)載容量不匹配。	變更振子的負(fù)載容量。
頻率不可調(diào)	基于微調(diào)電容器的頻率可變量不足。	減小微調(diào)電容器和固定電容器的容量。
以正規(guī)頻率約3倍的頻率振蕩	沒(méi)有達(dá)到與振子的振蕩次數(shù)相符的電路常數(shù)。	增大反饋電阻( Rf )的值。
		插入限制電阻( Rd )。
		增大外置電容器( C1、C2 )的值。
以正規(guī)頻率約1/3的頻率振蕩	沒(méi)有達(dá)到與振子的振蕩次數(shù)相符的電路常數(shù)。	減小反饋電阻( Rf )的值。
		減小限制電阻( Rd )的值。
		減小外置電容器( C1、C2 )的值。
振子不振蕩	電路的負(fù)電阻沒(méi)有裕度。	減小限制電阻( Rd )的值。
振子啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)	電路的負(fù)電阻沒(méi)有裕度。	減小外置電容器( C1、C2 )的值。

品牌	原廠代碼	型號(hào)	尺寸	頻率	負(fù)載/電壓	精度
KDS晶振	1TJH125DR1A0004	DST1610A	1610	32.768KHz	12.5PF	20PPM
KDS晶振	TJF080DP1AA003	DST310S	3215	32.768KHz	8PF	20PPM
KDS晶振	1TJF080DP1AA003	DST310S	3215	32.768KHz	8PF	20PPM
KDS晶振	1TJF0SPDJ1AI00S	DST310S	3215	32.768KHz	10.0PF	20PPM
KDS晶振	1TJF080DP1AI00P	DST310S	3215	32.768KHz	8PF	20PPM
KDS晶振	1TJF090DP1AI007	DST310S	3215	32.768KHz	9PF	20PPM
KDS晶振	1TJF0SPDP1AI008	DST310S	3215	32.768KHz	10.0PF	20PPM
KDS晶振	1TJF125DP1AI009	DST310S	3215	32.768KHz	12.5PF	20PPM
KDS晶振	1TJF090DP1AA00L	DST310S	3215	32.768KHz	9PF	20PPM
KDS晶振	1TJF080DP1AA00K	DST310S	3215	32.768KHz	8PF	20PPM
KDS晶振	1TJF0SPDP1AA00G	DST310S	3215	32.768KHz	10.0PF	20PPM
KDS晶振	1TJF0SPDN1A000B	DST310S	3215	32.768KHz	10.0PF	20PPM
KDS晶振	1TD125DGNS003	DT-26	2*6	32.768KHz	12.5PF	20PPM
KDS晶振	1TD125DHNS036	DT-26	2*6	32.768KHz	12.5PF	20PPM
KDS晶振	1TD125DHNS002	DT-26	2*6	32.768KHz	12.5PF	20PPM
KDS晶振	1TD060DHNS014	DT-26	2*6	32.768KHz	6.0PF	20PPM
KDS晶振	1TD125BHNS001	DT-26	2*6	32.768KHz	12.5PF	10PPM
KDS晶振	1TD075BHNS001	DT-26	2*6	32.768KHz	7.5PF	10PPM
KDS晶振	1TD125BFNS001	DT-26	2*6	32.768KHz	12.5PF	10PPM
KDS晶振	1TD1001HNS001	DT-26	2*6	32.768KHz	10.0PF	-6/+2PPM
KDS晶振	1TD1250HNS005	DT-26	音叉晶振	32.768KHz	12.5PF	30/40P
KDS晶振	1TC125DFNS030	DT-38	3*8	32.768KHz	12.5PF	20PPM
KDS晶振	1TC125NFNS002	DT-38	3*8	32.768KHz	12.5PF	1000PPM
KDS晶振	1TC125AFSS003	DT-38	3*8	32.768KHz	12.5PF	5PPM
KDS晶振	1TC250E65	DT-38	3*8	32.768KHz	12.5PF	+12/+28PPM
KDS晶振	1C240000AB0G	DSX321G	3225	40.000M	10PF	10PPM
KDS晶振	1C241600CDAA	DSX321G	3225	41.6M	10PF	30PPM
KDS晶振	1AJ043324C	SMD-49	11*4.6	4.332M	12PF	20PPM
KDS晶振	1ZZNAE26000AB0J	DSX211SH	2016	26.000M	7PF	10PPM
KDS晶振	1AJ17408AAGA	SMD-49	11*4.6	17.408M	16PF	50PPM
KDS晶振	1AJ250004B	SMD-49	11*4.6	25.000M	20PF	30PPM
KDS晶振	1ZZCAA24000BE0B	DSX211G	2016	24.000M	10PF	20PPM
KDS晶振	1N227000BB0AK	DSX321G	3225	27.000M	11PF	12PPM
KDS晶振	1N230000AB0C	DSX321G	3225	30.000M	10PF	30PPM
KDS晶振	1N240000AB0J	DSX321G	3225	40.000M	15PF	15PPM
KDS晶振	1XSE098304AR2	DSO321SR	3225	98.304M	3.3V	50ppm
KDS晶振	1AJ100005B	SMD-49	11*4.6	10.000M	12PF	50PPM
KDS晶振	1ZN326000AB0A	DSX221SH	2520	26.000M	7PF	10PPM
KDS晶振	1AJ240006AEA	SMD-49	11*4.6	24.000M	16PF	50PPM
KDS晶振	1AJ240006AK	SMD-49	11*4.6	24.000M	16PF	30PPM
KDS晶振	1AJ240006BB	SMD-49	11*4.6	24.000M	16PF	30PPM
KDS晶振	1AJ245765C	SMD-49	11*4.6	24.576M	18PF	30PPM
KDS晶振	ZC08759	DSO211AH	2016	25.000M	3.3V	50ppm
KDS晶振	1AR270002GA	SMD-49	11*4.6	27.000M	12.9PF	20PPM
KDS晶振	1AR304002A	SMD-49	11*4.6	30.400M	12PF	50ppm
KDS晶振	1XXD16367MAA	DSB211SDN	2016	16.367M	3.3V	1.5ppm
KDS晶振	ZC12467	DSA211SDN	2016	16.32M	3.3V	1.5ppm
KDS晶振	1XXB16367MAA	DSB221SDN	2520	16.367M	2.8V	1.5ppm
KDS晶振	1XXB16369JFA	DSB221SDN	2520	16.369M	3.3V	1.5ppm
KDS晶振	ZC09382	DSA535SG	5032	18.432M	3.3V	1.5ppm
KDS晶振	ZC12456	DSB211SDN	2016	16.320M	3.3V	1.5ppm
KDS晶振	1ZNA32000BB0B	DSX221G	2520	32.000M	12PF	15ppm
KDS晶振	ZC12965	DSA321SDN	3225	23.04M	3.3V	1.5ppm