发振回路调查方法相关概论

1、發振迴路調查方法相關概論發振迴路調查方法相關概論Designed by RD dept.2011-02-22一、關於發振迴路1.1水晶振動子n以下圖等價迴路表示之,其特徵為: R1(CI):等價直列阻抗 C1:等價直列容量 L1:等價直列電感 C0:等價並列容量 R1:等價阻抗n亦可稱之為CI (Crystal Impedance)nCI值大小的決定因素: 水晶片的表面加工 振動子的內部摩擦 電極 支撐架的機械 振動損失 周圍環境條件等影響nCI與頻率的關係(重要特性): 頻率高CI值低 頻率低CI值高 C1:等價值列容量(單位:fF)n與L1比較,值較小n影響C1值大小的因素: 附加在水晶片

2、兩端電極的大小 水晶片厚度 nC1與頻率的關係(重要特性): 頻率調變時(ex.VCXO,微調電容器),的重要參考值 C1值大頻率變化量大 C1值小頻率變化量小(f:1510)L1:等價值列電感(單位:mH)n振動部分的質量;相對於C1,值較小n欲使3倍波振動子震盪時的重要因子nL1與頻率的關係(重要特性): 頻率越低L1越大 頻率越高L1越小nL1過大時,不易發振C0:等價並列容量(單位:pF)n包含所有支架與電極,支架間的浮游電容量、電極間的容量等n因支架的關係, 長腳型製品(DIP)之C0值相較於表面黏著型(SMD)有偏低的傾向。代表符號單位決定因素重要特性(與頻率的關係)備註R1:等價

3、阻抗(CI: Crystal Impedance)n水晶片的表面加工n振動子的內部摩擦n電極n支撐架的機械 振動損失n周圍環境條件等影響n頻率高CI值低n頻率低CI值高隨著水晶振動子逐漸小型化的趨勢,抑制CI值變小的工作亦變得較為困難。C1:等價值列容量fFn附加在水晶片兩端電極的 大小n水晶片厚度n頻率調變時 (ex.VCXO,微調電容 器),的重要參考值nC1值大頻率變化 量大nC1值小頻率變化 量小與L1比較,值較小L1:等價值列電感mHn振動部分的質量n欲使3倍波振動子震盪時的重要因子n頻率越低L1越大n頻率越高L1越小相對於C1,值較小過大時,不易發振C0:等價並列容量pFn包含所有

4、支架與電極,支架間的浮游電容量、電極間的容量等n因支架的關係, 長腳型製品(DIP)之C0值相較於表面黏著型(SMD)有偏低 的傾向。(f:1510)水晶振動子重要特性列表:1.2負載容量(CL)n發振狀態的產生來自於Lx與CLnCL=基板配線容量+IC內部容量+懸吊於兩側的電容容量nCL與頻率的關係(重要特性): 容量越大,發振頻率越低 (ex.CL:1020pF時時,F: 10.0 9.999MHz) 容量越小發振頻率越高 (ex.10pF5pF時時,F:10.011.0MHz) 圖例:內部裝有迴路之水晶振動子,安定狀態下的發振情況 Lx:電感性電感性(L性性)CL:電容性電容性(C性性)

5、Rx:振動子振動子CI值值+迴路負阻抗迴路負阻抗-R:負性電阻負性電阻1.3負性電阻(Rx、-R)nRx=水晶振動子CI值+(-R)迴路負阻抗(迴路側造成耗損之阻抗)n負性電阻是讓振動子發振與抑制振動子持續發振的重要因素n負性電阻/負性阻抗的特性: 來自於IC(含迴路)與溫度的依存關係v低溫時負性阻抗增加v高溫時負性阻抗減少 來自於迴路與振動子周邊電容的關係v迴路的負荷容量較小時,負性阻抗會增加,v反之,負荷容量較大時,負性阻抗會偏低 1.3負性電阻(cont.)n發振條件:電源印加後,信號較小時,迴路側-R的設定須大於振動子側的Rx,反之(Rx -R ),則不發振發振條件: Rx -R定常發

6、振: Rx= -R(向上升起終了後 的正常狀態) 特性:1.迴路側的容量增加時(ex. 1020pF),負性阻抗會減少2.迴路側的容量減少時 (ex.105pF),負性阻抗會增加本處期望之發振條件: (Rx、-R)=CI的5 倍以上(車載品10倍以上)此值以下(1.0倍,2.0倍)時,容易造成不發 振或發振開始時發生問題(不易啟動) 1.4 驅動準位(Drive Level)n水晶振動子消耗掉的有效功率n特性: 與周邊容量的關係:v容量變大時,驅動準位會有增加傾向.v容量變小時,驅動準位會有減小傾向1.4 驅動準位(cont.)n與頻率的關係:(1)過大水晶片被附著太大的準位(2)較小不易引發

7、副共振形式/副振動(3)過小影響發振準位副共振副共振(3倍波,5倍波;音叉型製品, 2倍波,4倍波)(面滑動振動,屈曲振動,寬滑動振動,高次輪廓系振動)振動子等價迴路參數不安定的發振條件負性阻抗發振振幅變化 發振不易安定 振動子之阻抗值與相位特性之關係 直列共振點直列共振點 阻抗值阻抗值=Min並列共振點並列共振點 阻抗值阻抗值=Max,逐進相位的區域/水晶片的感抗區域,在發振迴路上要讓振動子振動時,通常都儘可能設計在此範圍內為了使振動子能呈現發振狀態,迴路側的電抗須為容量性,在一般放大器上,為使輸出端相位具有延遲性,這個條件須自然而然的滿足.然而,為補足這個條件,可以在輸出/入端加上電容C,

8、以限定發振頻率在直列共振點與並列共振點的狹小範圍內. 二、調查時使用之測試器調查時使用之測試器測試器廠商名形番視波器./製54503A/54610B計頻器./製53131A萬用電表./製34401A安定化電源菊水製PMC35-2AFET 探測棒Tektroni製P6205/P6243定時器三生電子製SS-406電流探棒Tektronix製P6022頻率掃描器./製E5100A/4195A除上述測量器之外, 環境測試關係,使用之測量器也有 增加的情形。三、本處的迴路條件本處的迴路條件n在振盪迴路上使用振動子,必須滿足以下的條件:負性阻抗的條件 驅動準位的條件發振頻率偏差條件異常發振條件其他的條件

9、3.1負性阻抗的條件n依各水晶製造商,有各種不同的設定值,此處以各需求整理如下: 使用範圍條件值/規格值本處CI值5倍以上車載品CI值10倍以上其他依使用者條件為基準水晶工會標準 計入振動子的負荷容量時的CI值的5.0倍以上3.2驅動準位的條件外型/發振形式基本波3倍波音叉型2.0WHC-49/U1000W3000WAT-49/SMD-49300W1000WDSX TYPE300W500W依使用迴路構成(ex.微調電容器,VCXO,頻率可變形等)、使用環境等,而設定較嚴苛的規格值.驅動準位是水晶振動的消耗值,與回路低消耗化並不一致. 本處期望之驅動準位規格值,會因振動子內所具有的水晶片大小來決

10、定.亦即,以所使用水晶片大小,印加於其上之準位規格值亦會有所變化 3.3發振頻率偏差的條件 n以使用者組裝完成後的最終判斷為主.(非由水晶晶片製造商所提示) 注意要點:1.規格值會因組裝過程、結果而有所偏差2.組裝後的偏差振動子的偏差3.組裝後的偏差IC變異+基板變異+搭載部品的變異 +迴路溫特等+3.4異常發振條件(1)n條件1: 當IC高調波成分增益過大,且動作頻率較低(ex.5.0MHz)時,啟動電源,此時,動作頻率在15.0MHz可能會發振。前提特性:水晶振動子具有在奇數倍(ex.3倍波、5倍波)產生共振點(高調波成分)的特性。3.4異常發振的條件(2)n條件2:n建議方法:將時的負性

11、阻抗設定為較低的值。n試舉確認方法之一例,通常發振的發振波形為正弦波,但如高調波成分較強時,發振波形會產生歪(不良)之異常現象,即不是漂亮的正弦波. 基本波CI+負性阻抗3 倍波CI+負性阻抗 2.0 3倍波 (不發振)3.5其他的條件 n由使用者的要求,亦可能適時追加.(在本次,以能測試且可確認的範圍為主).但追加條件的規格值保證,不在對應內.n關於Duty ratio (作用比),以振動子單體而言,無法予於規格化.因其依存讓其發振的IC方面部分相當多,因此依IC的實力值,作用比會有所變化.n週邊的迴路定數改善時,作用比亦會跟隨改變,但較大的改善案,尚未尋得 四、迴路調查測定方法4.1發振頻

12、率的測定方法在IC的輸出端,連接一個電容(1pF3pF左右),以確認發振頻率.(一般皆使用2pF)主要目的:以電容串聯連接方式,壓制FET 探測棒的內部容量所引起的不當影響) 方法一:從IC發振段以外的Fout(緩衝輸出)處來測試頻率 方法二:4.1發振頻率的測定方法(cont.)n倍頻迴路 (2倍頻,5倍頻):因頻率超出探測棒及計頻器所規定的能力,可利用天線,並用來測試發振頻率 n音叉型振動子 : 一般製品:與MHz品的測試方法相同 32.768KHz之製品 ,使用Cross timer 非接觸式測試.(Cross timer 僅適用於鐘錶之類的測試器,故僅有32.768KHz可測試) 4.

13、2負性阻抗的測定方法 n以更換電阻的方式來測試發振迴路上發振能力n作法: 1. 與振動子串聯接上一假性電阻 R1作為量測負性電阻用(實際迴路上 R1是不存在的). 2. 逐漸加大電阻值,當阻抗值達到一電阻值以上時,將出現不發振現象(本處所指之不發振狀態為無法確認到頻率及發振振幅)n使用器具: 電源的ON/OFF切換, 急冷劑及熱風機等讓製品有溫度上的變化 建議使用固定式電阻,而非可變電阻.(根據過去本處的經驗,以可變點阻來量側的結果,不易取得相關性的情形相當多) 迴路上自行發振時,要於輸出部分進行確認(頻率及發振波形),有其困難 性,所以與正常波形的差異點或波形異常點的判斷確認是必要的.(在限

14、制回路上,要插入自行發振的電阻時,應在輸入端,而非輸出端).ex. 100,可確認到發振狀態, 120,無法確認發振狀態, 表負性阻抗為1004.3驅動準位的測試方法 n以電流探棒量取流過水晶振動子的電流,再以下列公式導出: n驅動準位與CI具有依存關係,但與溫度無關n進行迴路設計時,應特別注意振動子週邊的容量,不能使過大的電流流過振動子 適用於MHz範圍: 適用於音叉型: Rx)2(i/2P2Rx)2(i/4P2 P: Drive Level i:電流Rx:測試時所使用之振動子的CI值1.當CI值變大時,i(電流)會變小; 當CI值變小,i(電流)則會變大2.當迴路負荷電容量較小時, P(驅

15、動準位)會變小;當迴路 負荷電容量較大時,P會變大4.4發振開始時間的測試方法 n發振開始時間 = 加上電源後,達到正常波形的90%位置,所量取的時間 n發振開始時間 = 發振安定時間4.5 3倍波發振的測定方法 n方法1:以手動方式,將振動子的端子設成短路狀態,並觀察波形上升的情況; 正常基本波 異常3 倍波n方法2:使用中的振動子頻率的3 倍數頻率之振動子,並測其負性阻抗 負性阻抗2.0 正常 負性阻抗10M, 不影響發振,n 10M, 因IC的不同會產生異常5.2 Rd:限制電阻 n主要目的:抑制高調波成分,促使流過水晶的電流減少 n使用低頻時,插入的電阻值要較大;使用高頻時,插入的電阻

16、值要較小n迴路方面,在頻率可調變的狀態下(ex.微調電容器,VCXO等), 必須插入限制電阻nKHz帶與MHz帶,所使用之電阻: 使用頻率發振形式使用阻抗值1.010MHz基本波1.0K 4.7K10 20MHz基本波5601.0K20 34MHz基本波100 56030 50MHz3倍波0 100音叉型(32.768KHz)基本波220K5.3關於C(水晶兩端的電容) n最主要目:調整發振頻率、負性阻抗、決定驅動準位、發振振幅、發振開始時間等n C平衡度:指C (input 端)與C (output 端)間的電容差異,當差異值在10pF20pF以上,就會產生平衡度不佳的情況。nC平衡度不佳(

17、特別是input端較小,output端較大時)所會造成的情況: C變大(5pF10pF),則發振振幅會變大, C變小(10pF5pF),則發振振幅亦會變小 不發振 n另外,需特別注意發振振幅與負性阻抗間的依存關係5.4 tank 迴路的組成方法 n適用頻率帶為40.0MHz以上時n欲達成三倍波發振,除使用Rf外,需在回路上追加LC tank,以控制迴路側在基本波發振,避免異常發振的情況(如圖所示)n組成方法:1) L1與C1的共振頻率,須設定在使用 頻率的1/3以上 2) C3,與旁路電容具相同效果,需使用 1000pF或0.01uF者3) LC tank 插入位置:IC的輸入端或 輸出端:-

18、輸入端可得到較高的負性阻抗,但 驅動準位亦有偏高傾向;-輸出端無法得到較高的負性阻抗, 但可壓低驅動準位 L1與C1共振頻率1/3使用頻率可能造成基本波發振L1與C1共振頻率使用頻率LC振盪可能性偏高5.5 關於L n發振迴路中使用L時,須確認L本身的自我發振頻率與使用振動子頻率的L值僅以標示值就使用入迴路時,引起整裝後異常發生的可能性相當高nL值與回路之浮遊容量有關,可能產生自行發振或高調波雜音的情況n線型與積層型的標示值雖相同,但電氣特性、迴路定數差異極大.因此調查回路時,應同時提供L的條件、偏差值數據及偏差值的樣品n建議使用積層型L(在考量數據的偏差值之後)較佳 5.6關於自發性發振頻率

19、 n使用振動子组裝成振盪迴路時,必不能有自發性發振頻率存在,避免產生自發性發振頻率的具體的做法有下列兩種(IC方面): 單gate(74HCU04)型 3段反轉器：緩衝器結合型(74HC04) n相較之下,具有緩衝器型者比較容易發生異常現象: 2段,3段之增幅器重疊,在增幅度相當高的情況下,雖僅有微小的信號,仍易產生極大的雜音 較特殊的緩衝器,僅設定以內部阻抗作為分壓功能,因此較易產生不安定,甚至發生啟動不良現象.5.7關於發振頻率偏差 n總偏差量=基板偏差量+振動子偏差量(常溫,溫度)(本處之迴路調查報告中,所提及之發振頻率偏差,是以本處在迴路調查時所使用之振動子來測試的結果.本振動子假定其

20、常溫偏差0ppm,溫度偏差0ppm.因此,報告書中所記載之頻率的結果,僅以基板方面的偏差量來表示)。 5.8關於跳頻的現象 n易發生於VCXO、微頻調整器等要讓頻率產生變化的迴路中n發生主因:振動子的副振動(spurious)位置n當振動子符合安定振盪的要點安定振盪的要點,且頻率的變動也在範圍內,但其發振頻率的3倍(or 5倍)有副振動情況;副振動位置、準位或基本波的負性阻抗等條件集合時,可能會受到影響而產生跳頻或頻率不安定的現象。n預防方法:規定振動子的公稱頻率3F0 0KHz範圍內不能有副振動其規定值,需在回路調查實施時,再予於作成. 5.9關於振動子單體的容量特性 負荷容量越大(ex.2

21、0pF,30pF),每1pF的負荷電容變化量對於頻率偏差的影響越微小負荷容量越小時(ex.8pF,10pF ),每1pF的變化量,其影響度將會增加5.10關於頻率溫度特性 n在一般使用上的振動子,被稱之為AT CUT型,有3次曲線.n在常溫附近呈現平坦（偏差較小）狀態.n溫度特性的決定因素:水晶切出時切斷角度 溫度偏差較緩和(50ppm) ,切斷角度的精度亦可較緩和 溫度偏差較嚴格(5ppm,10ppm)時,切斷精度必須相當要求 同一晶片在相同溫度偏差,但溫度範圍不同的情況下,有能可能會發生無法使用的情況曲線的線數越多越容易量產,線數越少量產性越小 5.11關於低驅動準位的見解 n水晶正常狀態下為厚度剪波振盪n驅動準位過大時: 水晶片的機械性變位會增加,因而誘發其他型態（主要是輪廓剪波振盪）,以致影響主振盪形式,振動子的等價參數被改變,在整裝上發生問題n低驅動準位時: 振動子為厚度剪波運動,水晶片自身機械性振盪.依加在水晶片的驅動準位大小,振動變位跟著變化.加與的驅動準位教小時因水晶片表面的振動變位較小,因此在加與通常準位（約50100）下不會造成問題的微小要因（水晶片因機械加工所引起之殘留應力