石英晶体振荡子的基础知识

一、基础术语

晶体振荡子是利用晶体特有的压电现象，是可以从机器的谐振中产生一定频率的元件。
随着集成电路技术的进步，以前只能用大规模计算机系统才能处理的各种机器控制，现在也可以使用1个IC或LSI进行控制。IC、LSI的操作中，时钟基准信号不可欠缺，晶体振荡子可以生成时钟，并且具有高波段稳定性、无需调成、小尺寸的特点。现在，晶体振荡子被广泛应用于卫星通信、移动通信机器中，也用于汽车、电视机、电脑、甚至是DVD机器等信息家电领域。可以对应各种不同用途。

共振频率

在石英晶体的共振特性中，共振频率是两点阻抗变为电阻时的较低频率点。

图.石英晶体共振特性

阻抗Z变为电阻元件时，两点之间的频率。在这两点上，相为0。

其中频率较低的点称为共振频率。另外一个点称为反共振频率。

等效电路

下图所示的是由电阻、电感和电容组成的石英晶体的共振特性。R1在等效电路中称为等效串联电阻，是石英晶体的重要特性。

等效串联电阻 (R1)
石英晶体等效电路串联支路中的电阻。

负载电容 (Cs)
让石英晶体具有负载共振频率的电容。
在实际振荡电路中，连接石英晶体的实际电容是由外部负载电容、IC杂散和PCB等产生的。

也可用下述公式进行计算:

负载共振频率 (fL)
负载共振频率是石英晶体中负载电容串联的共振频率，这一频率比共振频率高。
由于实际值与石英晶体规范中额定值之间的电容差，所以实际和额定振荡频率间存在频差。

也可用下述公式进行计算:

拉敏性
上图显示了负载电容变化产生的负载共振频率 (fL) 偏移。
此图中每个点的斜率就是拉敏性。
参见下图。在负载电容为6pF时，拉敏性是-17ppm/pF。 (负载电容变化1pF时，频移为17ppm)

也可用下述公式进行计算:

导纳圆
下图是在导纳平面坐标 (电导—电纳) 上绘制的石英晶体共振特征。由于画成了圆形，因此称为导纳圆。
在频率低于共振频率时，导纳靠近原点。
在频率增加时，导纳按顺时针方向画圆。

振荡裕量/负阻分析
即振荡停止的裕量，这也是振荡电路中最重要的术语。
振荡裕量取决于组成振荡电路的元件 (石英晶体、MCU、电容器以及电阻器) 。
村田推荐维持5倍或更大的振荡裕量。
详细内容请参阅"振荡裕量说明"。

负阻 (-R)
负阻是用阻抗表示的振荡电路信号放大能力。
由于其作用与电阻相反，所以是负值。
负阻绝对值小说明振荡电路的放大能力低。
振荡电路中的负阻取决于CMOS逆变器的特性、反馈电阻、阻尼电阻和外部负载电容。

驱动功率
驱动功率是指振荡电路中石英晶体的功耗。
它不仅取决于石英晶体的等效串联电阻，还取决于组成振荡电路的元件 (MCU、电容和电阻) 。
在驱动功率超额时，频率—时间性能会出现不正常特性。在设计振荡电路时，最好检查一下驱动功率。

C-MOS逆变器
C-MOS是互补MOS，组成了相互连接的p和n型MOSFET。
在下图中起到逆变器 (逻辑逆变电路NOT) 的作用。

振荡电路
在装有C-MOS逆变器或晶体管的放大电路中，所谓的"振荡电路"就是将输出连接到输入，以便持续放大反馈。
只有通过石英晶体反馈才能选择并放大共振频率的信号。

电路匹配
构成电路的元件 (C-MOS逆变器、石英晶体、电阻和外部负载电容) 组合，会改变振荡特性。
因此，必须组成适当的电容组合，以获得强大的振荡电路。这种检查和调整也称为电路匹配。

标称频率
标称频率是指石英晶体生产商指定的石英晶体频率。
必须要知道的是，由于MCU、PCB和外部负载电容的不同，实际振荡频率会偏离标称频率。

频率容限
是指操作环境中振荡频率最大允许偏差的频率范围。通常根据标称频率用ppm表示。

振荡电路元件：

反馈电阻
在振荡电路中，反馈电阻与C-MOS逆变器并联连接。它可能集成在MCU上。
它的作用是平衡逆变器I/O间的DC电压，而逆变器将起到放大器的作用。
在反馈电阻没有集成在MCU上时，最好使用1Mohm作为外部反馈电阻。

阻尼电阻
阻尼电阻用于振荡电路中C-MOS逆变器的输出端。其作用是减小振荡幅度，以降低降低功率。另一方面，必须注意振荡裕量，因为超额的阻尼电阻会引起振荡停止。
通常阻尼电阻的使用范围是从0到2kΩ，它取决于MCU的特性。

外部负载电容
外部负载电容用于振荡电路接地逆变器的输入端和输出端。
它是直接影响负阻和振荡频率的重要元件。
这些电容在CERALOCK®中称为"负载电容器"。另一方面，在石英晶体中，将其称为"外部负载电容"，以区别于负载电容"Cs"。
通常将两个相同的电容用作外部负载电容。
5到10pF作为外部负载电容是很适合的，这将取决于MCU的特性和安装基板的寄生电容。

二、振荡裕量

振荡裕量是指振荡停