愛普生石英晶體諧振器電路設計暨測試驗證介紹(2)

【第一部】 振盪最大阻抗餘裕度測試 (以下簡稱:負性阻抗)

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                            圖四. 鐘擺擺盪()

  圖四為簡單振盪電路概念,我們以鐘擺擺幅來當成一個例子,

  鐘擺開始左右擺動狀態下,當擺錘在最大擺角時,只要微微對擺錘質量點施加適正推力,這個鐘擺擺動條件便會進入穩定諧振模式,這個概念就是前篇所說的石英晶體振盪電路是利用考畢斯振盪電路的概念,

  一個進入諧振模式的鐘擺我們開始施加阻力,當逐次在諧振擺動條件下加大阻力時,諧振中的鐘擺擺幅將會進入靜止模式。

  相較於鐘擺施加的阻力大小,在石英晶體振盪電路測試中,我們稱其為負性阻抗。

  量測負性阻抗( Negative R-R ) ,代表著振盪線路的振盪餘裕程度,觀察設計的振盪電路起振安定與否的安定性係數。主要是測試石英晶體振盪電路穩定振盪狀態到停止振盪狀態下所能承受的最大阻抗值,負性阻抗不是真實的阻抗,而是在石英晶體連接Drain端的端子,串聯一個不存在振盪電路上的電阻(Rs)如下圖五所示,當此電阻值由小、增大時,振盪電路上觀測到Sinewave振幅將會因電阻逐漸加大後,而其振幅信號慢慢變小,直到不再量測得到振幅信號。此部分是振盪諧振電路中最重要參數,影響石英晶體振盪電路是否能穩定振盪,通常評估方向以五倍的ESR為基本要求,其中ESR的部分主要採用選擇的石英晶體振最大等效電阻( max. ESR )當基準,可獲得的倍數越高,代表其諧振穩定性越好(車用規格,因涉人生安全,我們建議負性阻抗餘裕量需大於十倍以上最大ESR)。實際測試Rs(Insert resistor)方式(參閱圖六),負性阻抗計算式如下:

  負性阻抗 = 石英晶體有效電阻(Re)  + 電路測試所得最大插入阻抗(Rs)

  其中Re=R1*(1+C0CL)2,此即為石英晶體有效電阻(R1:石英晶體內阻、C0:靜態電容值、CL:負載電容值)Rs即為石英晶體輸出端串接電阻,測試振盪狀態到停止振盪狀態下最大阻抗值。整體負性阻抗餘裕量()=負性阻抗值XTALESR(MAX)

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     圖五. Rs (Insert resistor)                        圖六. 實際測試Rs(Insert resistor)

  執行此觀察時,必需在振盪電路「關機後,重新開機再起振」,在這條件下我們量測到插入電阻值(Rs)將會是最小,因為振盪電路在正常諧振起振時,是最困難(動能小),這時量測觀察到等同是最大靜摩擦力(Rs最小)

  切勿使用VR (可變電阻),因為可變電阻是在起振狀態下,已有充足動能啟動振盪電路,這時需要更大電阻Rs,讓振盪電路不再起振,這會讓設計者誤以為振盪電路已獲得安定的起振裕度(下參考圖七,本振盪電路最大插入阻抗為400kohms)

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              圖七. 振幅vs. Rs (紅色處電阻)逐次增加之觀察

【第二部】  驅動功率量測

  量測驅動功率主要目是確認石英晶體在振盪電路下測得的功耗,是否符合原廠設計製造保證最佳線性穩定區?如圖八,石英晶體內阻偏差(R)和諧振頻率偏差(F/F),當驅動功率依Log變化量由小到大漸增。功率過大,線性度易進入非穩定區,

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     圖八. 石英晶體在振盪電路不同驅動功率下,RF/F線性和非線性

  量測驅動功率測試方式,採用電流探棒以非接觸量測XTAL_ Out端流過石英晶體的實際電流(如下圖九、十),再依該被觀測特定的石英晶體的實際內阻R1值,採用i2*Re公式來計算驅動功率,  

Drive Level ( Power ) = i2 * Re  ;其中i = i(rms) 值、Re=R1*(1+C0CL)2

   

            圖九. 電流量測方式 (1~3mAATX )                   圖十. 電流探棒測試

  此項目測試,採用示波器、電流探棒來進行量測,如果是MHz AT-Cut石英晶體,業界通常以TektronixCT-6高頻交流式電流探棒,可以在試波器上量測得Vp-p振幅,因為CT-6電流探棒規格是”1mA/1mV”,如果信號經五倍放大,irms可計算得,

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當電流量測計算後,再以DL ( P ) = i2 * Re公式換算成驅動功率;判定標準為當實際量測Drive Level是否符合石英晶體規格書中的DL max.保證值以下?如果在最大驅動功率保證值下,此電路設計即可符合穩定性標準。

反之,如超出保證的最大驅動功率規格,通常有兩種方法來降低驅動功率,

1.     可調整測定的石英晶體振盪電路上,所外掛兩端的Cg//Cd電容值組合,

當降低Cg//Cd電容值,代表降低負載電容,將會減低流過的電流,得到較佳的驅動功率,同時增加負性阻抗裕度,但是該負載諧振頻率將會變得較快。

2.     可調整測定的石英晶體振盪電路上,增加一顆限流電阻(Rd)來調整(如圖八),降低流過石英晶體的電流,避免因Drive Level過大,造成頻率和內阻值穩定性偏差。當增加限流電阻(Rd)時,將會影響輸出頻率特性和負性阻抗裕度(變差),故需相互量測觀察取得平衡點。

  本篇為中篇,我們將在下篇詳細介紹說明如何量測頻率和相關指標間特性調整趨勢變化說明,請期待下篇說明。

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2021-08-25