石英晶体振荡器用手接触基板时却又会振荡2012/05/25

     很多客户多番向我们“诉苦”说以前在别人家买的晶振在高温情况下就无动作了，也就是不起振了。希望我们能提供解决方法。这是怎么回事呢?首先了解一个案例

这是一个USB装置所使用的控制LSI，组合了48Mhz基准频率的石英振荡器件。发生案例是在数字相机厂商A。发振电路所需要的Inverter、回授阻抗(Rf)内建在LSI里面。
　　为了降低消耗电流，计划换用了另一个厂商的LSI，结果却陆续发生了底下几种状况：
　　之一，完全不会振荡。
　　之二，振荡不稳定，当特定的探棒接触到电路时，振荡停止。
　　之三，不会振荡的状态，用手接触基板时却又会振荡。
　　之四，低温的时候可以振荡，一到高温就不振了。
　　这究竟是怎么一回事呢?于是厂商A向器件提供厂商求教。依据器件厂商的说明，是出于“负性阻抗”的不足，就难以确保振荡的满足条件。那什么是“负性阻抗”呢?这就要从发振电路的等效电路来说起了。
　　从振荡器器件端，朝Inverter发振电路端看过去的实效阻抗，就是一个“负性阻抗”。这个“负性阻抗”的数值与振荡频率息息相关。为了确保振荡电路的安定性，该负性阻抗的绝对值，必须保证比振荡器件的等效串行阻抗CI(Crystal Impedance)还要大的多，此乃必要条件。
　　因此，关键的问题理清之后，必须掌握“负性阻抗”的绝对值定义。它可以视为“r+CI”。此处的r是插入与石英振荡器器件串接的电阻，当逐渐调整r到某一个数值，电路就不会震荡。故，将负性阻抗的测试步骤摘要如下：
　　·插入与石英振荡器器件串接的电Far。
　　·调整r到刚好停止振荡的状态之数值
　　·测量r电阻值
　　这时候，负性阻抗的绝对值就等于“r+CI”。
　　就实用的角度来说，一般的推荐值r/CI约在5～10倍之间。而“r/CI”之值就称为振荡的充裕度。需要这个充裕度，是因为衡量到振荡电路周边器件的特性偏移，即使经年累月加上温度的变化，仍然有足够充裕空间来振荡的指标。
　　厂商A于是根据这个建议在试作的基板上，进行实际负性阻抗的测量。结果的数据是r约0～15Ω。48MHz石英振荡器的CI值，最大约40Ω左右。故，适当的r值该是200～40Ω以上。于是判定是发振电路的负性阻抗绝对值太低，充裕度不足(仅有0～0.375)。负性阻抗过小的原因就是出在US8控制器的变更。因为控制LSI内藏的Inverter，回授电阻数值，会随着变更厂商而变化。
　　一般，LSI若是提供基准频率的场合，往往会利用到LSI内部的Inverter、回授电阻。也有些厂商的设计思想则是采用回授电阻外接的方式。
　　因为该厂商A换了另一家的USB控制器之后，其Inverter的gm(电导Conductance)以及回授电阻Rf起了变化，其负性阻抗的绝对值变小。厂商A不知该如何来改进，遂将试作的基板交给振荡器器件供货商，看是否可以从线路定数来着手。经过测量之后，发现Rd阻尼电阻(Damping)约680D,，非常大。Cg与Cd的静电容量22pF，稍微大了一点。于是，将Rd换为220Ω：Cg与Cd的容量置换为10pF左右。再度测量，负性阻抗的绝对值收敛在330Ω前后，落在合理的数值范围内。当变换LSI之后，与LSI连接发振电路的定数，有时候也要跟着修正线路定数。
　　不过，毕竟是负性阻抗的问题。最近，随着LSI消耗电流的降低以及振荡器件的小型化，光是变更线路定数也无法调整负性阻抗在合理的范围的案例也渐渐增加。
　　当然，变更LSI内部Inverter的特性也是解决对策。但是，泛用型的LSI变更几乎不可能。这时候的解，就是不用LSI内部的Inverter，而是设计独自的振荡电路。
据了解，有些厂商一致都选择更改了频率，认为频率越小，功耗越小。有的甚至将频率改到了1M。不知道这篇文章对读者有没有帮助了。
  摘自：http://www.taiheth.com