应用笔记｜晶振中的负性阻抗

晶振是一种石英产品，使用晶振的电路可以分为石英晶体谐振器和石英晶体振荡器。

振荡器是由谐振器与 IC(也可以是三极管/电阻/电容等)组成，石英晶体振荡器相当于用电阻、电容、三极

管等组成的双稳态振荡器。简单地说，晶体振荡器(有源器件)是由晶体谐振器(无源器件)和相关电路组成。

晶体谐振器只是作为输出时钟电路的一个参考频率(Frequency Reference),而晶体振荡器则可以直接输出

有一定驱动能力的时钟频率(Clock)。

由于晶振的频率十分稳定，因此用来稳定振荡线路的振荡频率，这也是晶体谐振器的作用。

晶体谐振器的基本线路如下：

Cd,Cg为外加负载电容，或已 Build-in Chipset中

Rf为回授电阻，一般已经 Build-in Chipset中，约为 200K~1M Ω

Rd为限流电阻，一般回路不需接此电阻，若回路 Power过大可加入此电阻，约 470 Ω~1K Ω

Total Capacitance:

CT=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)

CL=CT+Cs Match up Crystal spec

Cs: 线路上分布的杂散电容

CL: 负载值，指特定负载频率时的负载电容(pf)

1.如何开始起振的？

最初的起振是由于电路中的噪声引起的,随着谐振的增加, 逐渐达到稳定的石英晶体频率和一定的幅度.称之为谐振(共振).噪声就是杂乱无章的振荡频率,晶体频率是稳定的频率,经过一定时间,晶体的频率会从许多频率中脱影而出,从而振荡器的频率稳定在晶体的频率.因此起振功率小会造成晶体振荡无法从一堆的噪声中显示出来。

2.什么是负性阻抗？

负性阻抗是指从石英晶振的二个端子向振荡线路看, 所得到振荡线路在振荡频率时的阻抗特性值. 振荡线路上必需必需提供足够的放大增益值来补偿石英晶振在共振时的机械能损失. 负性阻抗并不是石英晶振的产品参数, 但却是振荡线路的一项重要特性参数. 从共振子的角度而言, 就是在振荡线路的"负性阻抗".

3.负性阻抗的要求

稳定的振荡回路，振荡 IC的负性阻抗(-R)至少为 Crystal阻抗的 5倍以上，即|-R| > 5Rr

例如 Crystal 阻抗为 40 Ω ，则 IC的负性阻抗需在-200 Ω 以下，才能形成稳定的振荡回路。

4.如何测量负性阻抗

"负性阻抗"是用来评价振荡回路品质(Q)的指标。在某些情况下(老化，温度变化，电压变化…等)，振荡回

路会失效，回路可能不起振，因此 IC负性阻抗 (Negative resistance ,-R )的确认就变得相对重要。

负性阻抗的测量方式如下：

1> 串联电阻 R到 Crystal的输出端(Xout)；

2> 调整 R值，使 Crystal由起振至停止振荡；

3> 当电路由起振至停止振荡时，测量 R值；

4> 得到负性阻抗|-R| = R+Rr，Rr为 Crystal的阻抗值

注：回路的杂散电容会影响到上述结果的准确性

5. 如何调整 Cg和 Cd (俗称调 5R)

按照以下 5个步骤来微调 Cg和 Cd:

1> 在晶振的输出端 Xout 串联 5R(5倍于晶振阻抗)，确认晶振是否起振；

2> 如果不起振，减小 Cg(Xin端)再确认是否起振；

3>如果起振，请移除 5 R ，确认晶振频率是否精确；不起振，请重复 2> ；

4> 如果频率不准，请微调 Cd(Xout 端)；

5> 如果 Cg(Xin 端)和 Cd(Xout 端)是定义了一个固定值，请确认在 Xout 串联 5R(5倍于晶振阻抗)

晶振是否起振。

32768K晶振阻抗值选型参考

在晶振的单位表示中，f通常表示频率，C表示负载电容，ESR表示串联电阻。以往我们常认为，只要晶振频率相同，尺寸之间是可以相互替换的，只需要改版即可。然而对ESR指标要求严格的，这个规则倒行不通。ESR值越小越好，越容易起振，过大反而使得电路不稳定，不容易起振。

（另，晶振起振时间快慢除了电阻的原因，还有负载电容的匹配，如若匹配不当，则影响起振时间快慢，甚至导致电路不工作。晶振技术有关详情可咨询广瑞泰电子。）

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KDS晶振阻抗值参考

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micro阻抗值参考

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TXC晶振阻抗值参考

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