石英晶体使用时，一定要评估振荡电路吗

有些人以为，只要选用的晶体频率是正确的，就能获取自己需要的振荡频率，但事实并不是这样的，晶体只是振荡电路的一个组件，整个振荡电路产生的频率并不是完全由晶体决定，晶体匹配电路十分重要。若电路结构与晶体单元的匹配中存在问题，就会产生频率偏移或不振荡等问题。石英晶体在使用时，一定需要评估振荡电路，以确认石英晶体振荡频率的准确性，下面将说明如何来做晶体单元和振荡电路匹配的评估。

一、 评估振荡频率之前的准备

一般，石英晶体生产商基于电路设计方所提出的晶体振荡频率（FL）、负载电容（CL值）和振荡频率可容误差（Δf）的三项数据，根据负载电容（CL值）使晶体单元起振，并调整振荡频率和可容误差。

需要注意的是，事先指定的负载电容（CL值）中没有考虑实际的PCB板中因各种因素而产生的电容（杂散电容）。杂散电容是造成振荡频率精度下降的因素之一，所以应当考虑到其影响，或者让石英晶体生产商更改晶体的振荡频率，或者由电路设计方重新调整杂散电容。这是振荡频率匹配工作的大致框架。

在实际评估匹配之前，请确认晶体的以下三项参数：

1. 标准负载电容值

晶体负载电容是晶体的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和。

2. 标准负载电容的晶体振荡频率（FL）

振荡频率（FL）指在室温下以标准负载电容的振荡电路驱动石英晶体单元时的振荡频率。

3. 石英晶体单元的等效电路常数

等效串联阻抗（R1）、等效串联电容（C1）、等效串联电感（L1）、等效并联电容（C0）和负载电容的石英晶体单元自身的振荡频率（Fr）等常数。 测试石英晶体单元等效电路常数时通常使用网络分析仪。

二、 振荡频率（频率匹配）的评估

1. 确认晶体安装在PCB板上后产生的振荡频率和供应商提供的CL参数的差值，就能够确认PCB板上的实际电容与事先指定的标准电容之间所产生的偏差。这里所指的PCB板电容包括晶体负载电容和PCB杂散电容之和。

2. 其次准备评估石英晶体单元和振荡电路的匹配所需测试仪器。评估所需基本测试仪器有直流电源、频率计、示波器、FET 探针等。

首先测试出振荡电路的频率。若其标准负载电容时的振荡频率（FL）为 12.000034MHz，假设将该晶体安装在基板上后实际测试得出的振荡频率（FR）为12.000219MHz，就可以得出两者之间的差为+185Hz，出现了+15.4ppm 的差异。 这个差越接近零，频率精度越高。 使上述 FR和 FL的差接近零的方法有两种：

从石英元件生产商处购买振荡频率（中心频率）比现在偏移+15.4ppm 的晶体；

对振荡电路的负载电容进行微调整，以此得到相应的振荡频率。

三、 对负载电容进行微调整来匹配频率的方法

电路中负载电容的变化会引起晶体频率的偏移，偏移图如图三

频率随负载电容变化

计算负载电容时需要的数据：

石英晶体单元等效电路常数（Fr、R1、C1、L1、C0）

实装在基板上的振荡频率（FR）

根据这些数据使用以下算式计算负载电容（CL）。

具体计算举例如下：

假设石英晶体单元的额定频率为 12MHz，振荡电路的负载电容（CL）为 7.8pF。 这里的额定频率指使用规定负载电容的振荡电路的条件下的振荡频率（FL）。 假定用网络分析仪对该石英晶体单元进行测试后得到了下列各常数：

FR=12.000219 MHz

Fr＝11.998398 MHz

R1＝33.7 ohm

L1＝70.519 mH

C1=2.495 fF

C0=1.11 pF

这里重申 Fr是石英晶体单元自身的振荡频率。把这些常数代入算式（1）就可以求出 CL=7.11pF。

从求出的值可以得出与先前所指定的振荡电路负载电容（CL） 7.8pF 之间的差为 0.69pF。只要把差调整到零，理论上频率公差也变为零，便可得到事先所指定的振荡频率。 实际调整振荡电路的负载电容时，将变更图 3的 Cg和 Cd，以符合事先指定的标准电容。这时，Cg和 Cd的大致数值可以使用下列算式（2）计算得出。

振荡电路负载电容（Cg与Cd）

这里的 Ci表示振荡电路的实际负载电容（CL），Cs是寄生电容。Ci只要等于事先指定的标准电容 CL（晶体CL）即可，所以可以使用下列算式（3）和算式（4）算出。

一般应用来说（对起振时间，起振能力有特殊要求的除外），Cg=Cd。那么Cg=Cd=（CL-CS）/2。

如果振荡电路的 Cg和 Cd难以变更，可以改变通过晶体的负载电容进行匹配。让晶体生产商把晶体CL参数调整为你的电路电容，再对其进行匹配评估确认结果。

在确定Cd和Cg时，需要注意以下方面：

1. 当振荡电路的Cd和Cg较小时，负载电容的微小变化就会导致频率的急剧变化，这会导致频率稳定度恶化。

2. Cd和Cg较大时，振荡电路的负性阻抗会小，起振时间会变大或导致不起振。