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32.768K晶振振荡频率产生变化原因分析极其解决方法

来源:http://www.taiheth.com 作者:taiheth 2012年05月19

       32.768K晶振广泛的运用打到石英表,手机到家庭内的各种家电产品以及数字线路板等。是KHZ频带音叉型振荡器器件。分插件和贴片晶振两种,晶振的作用是提供频率信号给实时时钟IC。若晶振的频率有所偏移,时间的表示就会不精准。首先了解一个实时案例

    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32.768K晶振的振荡器件,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石英晶振,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。 

    很明确的一个答案就是,若晶振频率发生偏差,并非是晶振厂商的问题或者是晶振本身问题,实则最重要的还是晶振的负载电容。还有一个因素就是温度范围的影响。

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