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32.768K晶振频率发生偏移与其负载电容有关2012/05/25

客户是做手机的厂商，开发基频电路的设计部门负责设计手机搭载的时钟电路。一般，时钟电路是由音叉型振荡器件以及实时时钟IC所构成。
　　用32.768KHz的振荡器件，输入频率信号给IC。IC内部会建构有分频电路，连续除以二进行15回合，产生了1Hz的信号，做成1秒钟。
　　问题的发生是手机厂商变更为更小型的晶振之后，发觉振荡频率变为32.77075KHz(增加了84ppm)。因此，每一天约超前了7.26秒。一个月下来就超前了3分半，大幅超越了该公司订下的容许范围。(该公司所订的基准是每一个月常温下必须维持1分钟的误差之内。)
　　注：原本采用的振荡器件尺寸7.0mm×1.5mm×1.4mm，换成了3.2min×1.5mm×0.8mm的小型器件，体积仅有原来的四分之一，可以省空间。
　　发生问题后，经过内部的讨论一致认为问题该是出于振荡器件的“负载电容”的差异。透过实际的测试之后，原来晶振负载为7pF，新品为12.5pF，却是符合器件厂商的规格。
　　所谓的“负载容量”，通常是指器件发振时振荡电路的负载容量。一般，当负载电容增大时，发振频率跟着变低，这个关系曲线就称为“频率－负载容量特性”，每家振荡器件多不太相同。这是因为振荡器件的振动片设计与电极设计值不同的缘故。
　　注：发振电路的负载容量是由Cd与Cg两个静电容量以及寄生电容的合成容量。Cd与Cg若是过大，负载容量也会变大。
　　如果振荡器件的负载容量与发振电路的负载容量不一致时，振荡频率会偏移。于是该客户将原本Cd/Cg的电容值从6pF变更成18pF的电容器，发振电路的负载容量从7pF增加到12.5pF。虽然是配合了，可是却衍生出另一个问题。那就是电路负性阻抗的绝对值100KΩ，充裕度不足(等效串接阻抗45KΩ～75KΩ)。1.3～2倍的发振充裕度，不太符合5～10倍以上的期望值。若是使用环境的温度变迁大的场合，担心不会振荡。
　　经过反复更替电路定数，依然不能解决问题。而且，振荡器件的驱动电力激励位阶增大，又有机会破损振荡器件的副作用。
　　在必须使用IC内藏回授阻抗与Inverter的前提下，也唯有变换另一种振荡器件。若是换回原来7pF的制品，当然没有问题。但是不能达成开发的目标。于是，与器件提供厂商长谈之后，换了品名与外型一样，然而负载电容仅有9pF的新品。从新设计发振电路之后，无论频率偏移还是充裕度以及激励位阶都在适当的范围内。最终，解决了困扰厂商B的问题。
　　从这一个案例的克服，不难发觉振荡器件的发振电路设计，其实是频率偏差、发振充裕度、激励位阶等三个条件满足的连立方程式作业，需要面面俱到。
　　另外实际的应用上，还需要考虑到温度变化的因素。摄氏25度频率偏差为零，当温度无论是往上还是往下，发振频率会滑落。因此，无妨将发振电路的负载容量做的比振荡器件的负载容量小一点。