评估振荡电路方法（振荡裕度与激励功率篇）-电子发烧友网

为了获得稳定的振荡，通常情况下石英晶体单元与振荡电路的匹配十分重要。若电路结构与晶体单元的匹配中存在问题，就会产生频率不够稳定、停止起振或振荡不稳定等问题。

石英晶体单元与微机一起使用时需要评估振荡电路。确认该石英晶体单元与振荡电路的匹配之际，至少要对振荡频率（频率匹配）、振荡裕度（负阻抗）和激励功率的三项进行评估。

我们在上篇中已经说明了有关频率匹配的内容，这次将解说振荡裕度（负阻抗）和激励功率的评估方法。

-振荡裕度（负阻抗）的评估-

丨以测试MHz级为例丨

在石英晶体单元的HOT端子插入阻抗后检测是否起振（测试负阻抗RN），是评估振荡电路的负阻抗特性与振荡裕度的简单方法。

振荡电路的能力可以通过改变插入的阻抗值（损失的大小）进行测试。

图1：测试负阻抗的电路图

负阻抗的绝对值等于所插入的阻抗值r和石英晶体单元连接负载时的等效阻抗（Re）之和——算式（1）

| -RN|=插入阻抗r+Re

算式（1）

石英晶体单元连接负载时的等效阻抗（Re）用以下算式（2）求出。

R1是石英晶体单元无负载电容时的等效串联阻抗。

算式（2）

例如：

石英晶体单元常数（R1=33.7Ω、C0=1.11pF、CL=7.8pF）代入上述算式（2）后可算出等效阻抗（Re）约为44Ω。

这时的R1是石英晶体单元的实测值，而不是参数值。如果R1 的最大值是57Ω，Re受负载电容的影响而增加到74Ω，请注意。

通常来说，规格书会标明R1最大值（也有称呼为ESR值，等效电阻的意思）。

图2：插入阻抗测试负阻抗的情景

插入阻抗（Ω）	负阻抗（计算值、Ω）	振荡裕度	用示波器进行的起振确认
5000	544	7	OK
1000	1044	14	OK
1600	1645	22	OK
2000	2045	-	不起振

表1：基于负阻抗计算振荡裕度（RN/Re）之例

在图2的状态下用示波器确认波形。逐渐增大插入的阻抗值r，寻找不起振的阻抗点。这时忽略因插入阻抗而引起的振荡输出下降和振荡频率的变化，只单纯判定是否起振。决定负阻抗RN之后，计算振荡裕度RN/Re（上述表1）。需要注意的是振荡裕度低将引发各种不良现象，例如因电路特性不均而造成的振荡不稳定、不起振或起振时间变长等。

振荡裕度为5倍以上时，意味着振荡电路具备激励石英晶体单元的足够能力（增幅度），通常不会发生问题。如果振荡裕度在5倍以下，则建议变更振荡电路的电路常数，或者增大负阻抗RN，或者减小石英晶体单元的等效串联阻抗Re，使振荡裕度保持在5倍以上。

虽然降低微调电容器（Cg、Cd）或限流电阻（Rd）等振荡电路的电路常数可使负阻抗变大，振荡裕度也将随之变大，但需要提醒的是，振荡电路的负载电容随着电路常数的变化而变，这将促使振荡频率也出现变化。欲降低石英晶体单元的等效串联电阻R1时，需要向石英晶体生产商提出要求。

-激励功率的评估-

丨以测试MHz级为例丨

激励功率指石英晶体单元振荡时所消耗的电力。通常，激励功率最好控制在石英晶体单元的规格参数内，一般在约100μW以下，但需注意的是各石英晶体生产商之间略有不同。

激励功率过大时将引起振荡频率的变动、稳定度下降、等效电路参数变化或频率失真等现象。激励功率偏高还可能导致反复出现异常振荡、引发故障的恶果。激励功率（P）用下列算式（3）求出。

算式（3）

这里的I是流过石英晶体单元的电流，Re 是石英晶体单元带负载时的等效电阻。如果激励功率超过了规格参数，就需要调整振荡电路的常数，使流过石英晶体单元的电流变小。降低Cg或Cd可使激励功率变小，但振荡电路的负载电容也将随之而变。最简单的方法是增大Rd，但损失将随之增大、负阻抗将变小。激励功率不能直接测定。把测试针放在与振荡电路相组合的石英晶体单元HOT端子，用示波器测试施加电Vpp，基于实测值计算流过石英晶体单元的电流。