如何進(jìn)行晶體負(fù)載電容的調(diào)試？

攻城獅華哥

1. 晶體為什么需要外接電容？

晶體的負(fù)載電容是晶體的一個(gè)重要參數(shù)。負(fù)載電容就是晶振起振的電容，這個(gè)負(fù)載電容決定著晶體是否可以在產(chǎn)品中正常起作用，外面并聯(lián)的電容與晶體內(nèi)部電容值相等，就可以讓晶振發(fā)出諧振頻率了。如下圖是一個(gè)25MHz晶振的規(guī)格參數(shù)，其中負(fù)載電容的標(biāo)稱值15pF。所以這就要求在電路設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選型時(shí)按照15pF的需求去設(shè)計(jì)。

2. 如何選取正確的負(fù)載電容值？

如下是晶體與負(fù)載電容以及芯片的連接圖，可以看出來(lái)晶體是連接了兩個(gè)負(fù)載電容，此處可能會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)誤解：一個(gè)是晶體標(biāo)注的負(fù)載電容是15pF，則兩個(gè)電容都需要為15pF。另外一個(gè)是兩個(gè)電容之和要和規(guī)格書中的標(biāo)注的值相同，這些都是不正確的。

從下圖可以看出來(lái)兩個(gè)電容是并聯(lián)關(guān)系，晶體的負(fù)載電容值的確定除了要考慮兩顆電容并聯(lián)后的結(jié)果以外，還要考慮板上的寄生電容的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)會(huì)按照3-5pF進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，實(shí)際還是要以測(cè)試實(shí)際測(cè)量輸出頻率的偏差來(lái)進(jìn)一步調(diào)整負(fù)載電容的大小，兩個(gè)負(fù)載電容的大小不要求值完全一樣。

如下表格是按照寄生電容3pF進(jìn)行計(jì)算的，比如，負(fù)載電容要求是15pF時(shí)，推薦選擇C1和C2分別為24pF，并聯(lián)后的值時(shí)12pF，再加上板上的寄生電容3pF，這樣對(duì)于晶體來(lái)說(shuō)就是12pF+3pF=15pF，剛好滿足晶體規(guī)格書中的要求。

以上只是基于理論的計(jì)算，具體實(shí)際參數(shù)的選取還需要考慮一些細(xì)節(jié)因素，下面進(jìn)行負(fù)載電容調(diào)試的介紹。

3. 如何對(duì)晶體電路負(fù)載電容進(jìn)行調(diào)試？

理想往往和現(xiàn)實(shí)是有一定差距的，極少的情況是能夠根據(jù)理論計(jì)算就能把電容的負(fù)載電容確定下來(lái)，特別是適合批量生產(chǎn)的參數(shù)。往往都是要經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試測(cè)試才能最終確定下來(lái)。

在實(shí)際調(diào)試測(cè)試過(guò)程中用示波器對(duì)晶體輸出波形進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)際輸出頻率高于標(biāo)稱輸出頻率值，比如標(biāo)稱值是25MHz、頻率精度是±10ppm的晶體，那么實(shí)際的輸出頻率在24999750Hz~25000250Hz范圍內(nèi)都是合格的。

如果實(shí)際測(cè)量出來(lái)的頻率值低于誤差范圍最低值，那么此時(shí)通過(guò)稍微減小負(fù)載電容值可以使晶體輸出波形頻率升高。同樣，如果實(shí)際測(cè)量出來(lái)的頻率值高于誤差范圍最高值，那么加大負(fù)載電容可以使晶體輸出頻率降低。

可能很多人都會(huì)遇到這樣的問(wèn)題，特別是在多片板子調(diào)試一致性時(shí)。比如，在板子1上實(shí)際測(cè)量晶體輸出的波形頻率是0ppm的偏差，然后板子2上使用相同參數(shù)的負(fù)載電容，結(jié)果實(shí)際測(cè)量輸出波形的頻率有+12ppm的偏差。那么導(dǎo)致這樣的偏差是什么原因呢？

如之前所講，晶體的頻率誤差是±10ppm，這個(gè)是指在理想的條件下的標(biāo)稱精度，晶體由于自身的結(jié)構(gòu)誤差會(huì)導(dǎo)致的輸出頻率誤差，是代表晶體自身本體的輸出精度，也是晶體廠商出廠時(shí)能夠保證每一片晶體的精度。所以當(dāng)在調(diào)試時(shí)，一般可能會(huì)很少有人單獨(dú)對(duì)晶體的輸出頻率誤差做測(cè)試，一般默認(rèn)拿到的晶體是合格的，并且可能還默認(rèn)當(dāng)前調(diào)試用的晶體頻偏就是0ppm，然后基于當(dāng)前晶體進(jìn)行負(fù)載電容的匹配調(diào)試，最終將確認(rèn)的負(fù)載電容參數(shù)復(fù)制到其他板子上,在這個(gè)過(guò)程中就忽略了晶體本身誤差的問(wèn)題。

比如板子1上使用的晶體實(shí)際自身的頻偏是-5ppm，然后經(jīng)過(guò)負(fù)載電容的匹配調(diào)試，將實(shí)際量測(cè)的結(jié)果定在了0ppm，那么如果第二片板子上實(shí)際使用的晶體本體是+7ppm的偏差，那么板子1上的負(fù)載電容參數(shù)使用在板子2上后，很大概率實(shí)際測(cè)量輸出頻率會(huì)是+12ppm。

如何才能規(guī)避這種問(wèn)題呢？

這就要求研發(fā)工程師在調(diào)試晶體負(fù)載電容時(shí)，需要用晶體本體的頻偏是0ppm的晶體（也被稱為“標(biāo)金”）進(jìn)行調(diào)試，然后在使用晶體本體頻偏為-10ppm，和+10ppm的晶體進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)不同偏差的晶體，實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差是否一致？比如，相同的負(fù)載電容參數(shù)，在0ppm晶體上測(cè)量結(jié)果是+1ppm，那么使用-10ppm的晶體時(shí)，理想的結(jié)果是測(cè)量的實(shí)際頻率誤差為-9ppm；+10ppm的晶體時(shí)，理想的結(jié)果是測(cè)量的實(shí)際頻率誤差為+11ppm；而且調(diào)試樣本數(shù)不能低于5片板子，以免焊接原因?qū)е碌恼`判。

除了以上調(diào)試時(shí)需要注意的事項(xiàng)，如下也是設(shè)計(jì)中需要注意的：

• 一定要按晶體廠商所提供的數(shù)值選擇外部元器件。
  
• 負(fù)載電容越大，其振蕩越穩(wěn)定，但是會(huì)增加起振時(shí)間。
  
• 應(yīng)使Cload2值大于Cload1值，這樣可使上電時(shí)，加快晶振起振。
  
• 測(cè)量輸出波形出現(xiàn)削峰、畸變時(shí)，可以通過(guò)串聯(lián)一個(gè)幾十k到幾百k負(fù)載電阻解決。
  
• 如果要穩(wěn)定波形，則可以通過(guò)并聯(lián)一個(gè)1M到10M的反饋電阻。