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晶体谐振器的FAQ Q晶体谐振器的振荡电路无法振荡的原因及对策是什么?

A

主要原因

晶体谐振器的振荡频率偏离其标称值的主要原因有以下3点:

  • 驱动功率超过了规格值
  • 负载电容不匹配
  • 异常振荡

这些情况是由于电路条件与谐振器规格不匹配造成的,可以通过优化电路参数和元件选择来改进。

确认步骤

当振荡频率出现偏差时,按以下步骤进行确认将使原因排查更加容易。

  1. 测量振荡频率并确认其与标称频率之间的差
  2. 确认驱动功率是否在规格范围内
  3. 确认电路的负载电容与谐振器规格的负载电容是否一致
  4. 确认振荡波形,从而确认是否有异常振荡

原因及对策

<原因①:驱动功率超过了规格值>

处于谐振器消耗的功率大于规定值的状态。
如果驱动功率过高,振荡频率可能会变得较高,或者由于等效串联电阻(R1)增加而发生频率偏离。

主要对策

  • 建议通过增大限流电阻的值来降低驱动功率。在这种情况下,振荡裕量也会降低,因此需注意确保振荡裕量在民生用途中不低于R1的5倍,在车载用途不低于R1的10倍。此外,振荡幅度也会降低,因此需要注意确保振幅不会变得过小。
  • 建议通过减小负载电容来提高振荡电路的阻抗并降低电路电流。在这种情况下,由于振荡电路的负载电容减小,振荡频率将会增加。建议在更改负载电容后确认振荡频率保持在所需的频率范围内。
  • 关于驱动功率的测量方法,请参照“驱动功率:测量方法的基础知识”

<原因②:电路侧负载电容与谐振器的规格值不一致>

处于振荡电路的实际负载电容与谐振器规格书中的值不同的状态。
由于谐振器的频率由规定的负载电容决定,因此电路电容不一致会导致振荡频率发生偏离。

主要对策

  • 变更负载电容以调整实际振荡频率。如果要降低实际振荡频率,则增大电容值;反之,要提高实际振荡频率,则减小电容值。请注意,增加负载电容会降低振荡裕量。此外,振荡电路阻抗降低也可能会导致振荡幅度变小,因此,对此也需要注意。
  • 建议更换为负载电容不同的谐振器。更换为电容比规格书中规定的负载电容更大的谐振器会提高振荡频率,而更换为电容比规格书中规定的负载电容更小的谐振器则会降低振荡频率。

例)为了实现30MHz的振荡频率,配备了标称频率为30MHz、负载电容为6pF的谐振器。然而,实际振荡频率比30MHz低30ppm。基于此结果,我们认为振荡电路的实际负载电容大于6pF,因此更换为负载电容为8pF的谐振器。结果,振荡频率变为比30MHz低5ppm左右,振荡频率偏离得到了改进。

<原因③:振荡不正常(异常振荡)>

谐振器处于以非预期谐振频率振荡的状态。
根据微处理器的反相器特性和电路条件,可能会因晶体谐振器基波以外的模式或电路而产生振荡,导致振荡频率偏离规定值。

主要对策

  • 确认微处理器的反相器是否为无缓冲型。微处理器中内置的反相器不是无缓冲型等微处理器特性可能会导致即使谐振器在振荡,其振荡频率也不会接近标称频率。
  • 根据需要更换为具有合适反相器配置的微处理器。从根本上讲,这需要在微处理器上进行处理,例如将微处理器中内置的反相器变更为无缓冲型等。
  • 在某些情况下,调整限流电阻和负载电容可以降低异常振荡的发生频度。

技术术语说明

  • 什么是驱动功率?

    驱动功率表示晶体谐振器消耗的功率。
    如果驱动功率过高,会导致频率特性发生变化。
    关于驱动功率的测量方法,请参照“驱动功率:测量方法的基础知识”

  • 什么是负载电容?

    负载电容是连接到振荡电路的电容元件。负载电容会影响振荡频率和振荡电路的稳定性(振荡裕量)。
    关于负载电容,请参照“晶体谐振器:专业术语的基础知识”

  • 什么是异常振荡?

    异常振荡是指振荡电路以谐振器固有谐振模式(基波)以外的模式振荡的现象,它会导致频率偏离和故障。

  • 什么是无缓冲型反相器?

    无缓冲型反相器是一种仅使用一个C-MOS的反相器。
    无缓冲型反相器适用于使用C-MOS反相器的振荡电路。
    多个C-MOS连接形成1个反相器的类型称为缓冲型。
    缓冲型和施密特触发器型反相器可能会进行与谐振器的谐振特性无关的振荡,因此不适合用于振荡电路。

适用场景

  • 设计阶段
    在设计振荡电路时,此信息可在考虑所需的电路条件和元件参数时作为参考。

  • 试制/测试阶段
    可用作试制电路无法振荡时的确认项目和测试步骤。

  • 故障解析
    有助于排查无法振荡或振荡停止的原因。

  • 量产缺陷
    可用于对量产产品中发生的振荡故障和工作不稳定的原因进行分析并预防再次发生。

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