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[提问] 如何进行晶体负载电容的调试?

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发表于 2022-12-26 13:58:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
关键词: 电容 , 晶体 , 并联 , 晶振 , 负载电容
1. 晶体为什么需要外接电容
晶体的负载电容是晶体的一个重要参数。负载电容就是晶振起振的电容,这个负载电容决定着晶体是否可以在产品中正常起作用,外面并联的电容与晶体内部电容值相等,就可以让晶振发出谐振频率了。如下图是一个25MHz晶振的规格参数,其中负载电容的标称值15pF。所以这就要求在电路设计时参数选型时按照15pF的需求去设计。



2. 如何选取正确的负载电容值?
如下是晶体与负载电容以及芯片的连接图,可以看出来晶体是连接了两个负载电容,此处可能会产生两个误解:一个是晶体标注的负载电容是15pF,则两个电容都需要为15pF。另外一个是两个电容之和要和规格书中的标注的值相同,这些都是不正确的。

从下图可以看出来两个电容是并联关系,晶体的负载电容值的确定除了要考虑两颗电容并联后的结果以外,还要考虑板上的寄生电容的影响,根据经验会按照3-5pF进行补偿计算,实际还是要以测试实际测量输出频率的偏差来进一步调整负载电容的大小,两个负载电容的大小不要求值完全一样。

如下表格是按照寄生电容3pF进行计算的,比如,负载电容要求是15pF时,推荐选择C1和C2分别为24pF,并联后的值时12pF,再加上板上的寄生电容3pF,这样对于晶体来说就是12pF+3pF=15pF,刚好满足晶体规格书中的要求。


以上只是基于理论的计算,具体实际参数的选取还需要考虑一些细节因素,下面进行负载电容调试的介绍。

3. 如何对晶体电路负载电容进行调试?
理想往往和现实是有一定差距的,极少的情况是能够根据理论计算就能把电容的负载电容确定下来,特别是适合批量生产的参数。往往都是要经过反复的调试测试才能最终确定下来。

在实际调试测试过程中用示波器对晶体输出波形进行测量时,如果发现实际输出频率高于标称输出频率值,比如标称值是25MHz、频率精度是±10ppm的晶体,那么实际的输出频率在24999750Hz~25000250Hz范围内都是合格的。

如果实际测量出来的频率值低于误差范围最低值,那么此时通过稍微减小负载电容值可以使晶体输出波形频率升高。同样,如果实际测量出来的频率值高于误差范围最高值,那么加大负载电容可以使晶体输出频率降低。

可能很多人都会遇到这样的问题,特别是在多片板子调试一致性时。比如,在板子1上实际测量晶体输出的波形频率是0ppm的偏差,然后板子2上使用相同参数的负载电容,结果实际测量输出波形的频率有+12ppm的偏差。那么导致这样的偏差是什么原因呢?


如之前所讲,晶体的频率误差是±10ppm,这个是指在理想的条件下的标称精度,晶体由于自身的结构误差会导致的输出频率误差,是代表晶体自身本体的输出精度,也是晶体厂商出厂时能够保证每一片晶体的精度。所以当在调试时,一般可能会很少有人单独对晶体的输出频率误差做测试,一般默认拿到的晶体是合格的,并且可能还默认当前调试用的晶体频偏就是0ppm,然后基于当前晶体进行负载电容的匹配调试,最终将确认的负载电容参数复制到其他板子上,在这个过程中就忽略了晶体本身误差的问题。


比如板子1上使用的晶体实际自身的频偏是-5ppm,然后经过负载电容的匹配调试,将实际量测的结果定在了0ppm,那么如果第二片板子上实际使用的晶体本体是+7ppm的偏差,那么板子1上的负载电容参数使用在板子2上后,很大概率实际测量输出频率会是+12ppm。

如何才能规避这种问题呢?

这就要求研发工程师在调试晶体负载电容时,需要用晶体本体的频偏是0ppm的晶体(也被称为“标金”)进行调试,然后在使用晶体本体频偏为-10ppm,和+10ppm的晶体进行验证,确认不同偏差的晶体,实测结果的偏差是否一致?比如,相同的负载电容参数,在0ppm晶体上测量结果是+1ppm,那么使用-10ppm的晶体时,理想的结果是测量的实际频率误差为-9ppm;+10ppm的晶体时,理想的结果是测量的实际频率误差为+11ppm;而且调试样本数不能低于5片板子,以免焊接原因导致的误判。

除了以上调试时需要注意的事项,如下也是设计中需要注意的:
  • 一定要按晶体厂商所提供的数值选择外部元器件。
  • 负载电容越大,其振荡越稳定,但是会增加起振时间。
  • 应使Cload2值大于Cload1值,这样可使上电时,加快晶振起振。
  • 测量输出波形出现削峰、畸变时,可以通过串联一个几十k到几百k负载电阻解决。
  • 如果要稳定波形,则可以通过并联一个1M到10M的反馈电阻。


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