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晶振电路设计的影响因素

小型化是电子行业的持续趋势,可穿戴设备、智能家居设备、移动设备、汽车应用中的电子产品……这些只是需要越来越小的组件的应用的几个例子。每个电子元件制造商都在努力将越来越小的元件推向市场。但是这种尺寸减小会在设计过程中导致不同的问题,为了帮助解决其中一些问题,本文将重点介绍缩小石英晶体尺寸时对设计的影响。



首先可以说晶体的尺寸越小,谐振频率越高。对于石英,石英毛坯的厚度与谐振频率成反比关系。这意味着当坯料变薄时,频率会增加。相反,这意味着需要更厚的坯料才能获得更低的频率。由于更小的封装也更薄,因此在物理上不再可能在 2.0 x 1.6 mm 封装中提供低于 16 MHz 的频率或在 1.6 x 1.2 mm 封装中提供低于 24 MHz 的频率。从较大尺寸切换到较小尺寸时需要考虑到这一点。


较小晶体的另一个特点是等效串联电阻 (ESR) 更高。晶体的 ESR 取决于几个参数,例如频率、晶体尺寸、电极尺寸和安装结构。但一般来说,晶体越小,ESR 就越高。在设计评估期间,需要考虑 ESR,以确保可以保证稳定的振荡。稳定振荡的特征是安全系数为 5 或更大。安全系数,通常也称为负电阻比,由负电阻与 ESR 的比率定义。安全系数的计算公式见公式(1)。



电路中的负电阻可以通过在晶体上串联一个电位器来测量,如图1所示。电位器的电阻需要增加,直到晶体停止振荡——这个电阻值标志着R ADDmax。使用 R ADDmax 和晶体的最大 ESR,可以计算负电阻和安全系数。


如果 ESR 增加,则安全系数会降低。因此,无法再保证晶体的安全振荡 (SF ? 5)。如果在旧设计中使用较小的晶体来替换较大的晶体,这实际上很容易发生。


图 :带有 R ADD 的电路图


但是在这种情况下,如何提高安全系数并保证振荡稳定呢?提高负电阻和安全系数的最简单方法是降低 C a和 C b。当降低 C a和 C b 时,它会导致 R ADD在振荡停止的点上更高。这导致负电阻的改善和安全系数的增加。这就是为什么较小的晶体通常以较低的负载电容出售。因此,当考虑从较大的晶体更改为较小的晶体时,应该记住,它也需要更换电容器。


降低 C a和 C b时需要考虑的事项,由于坯料和电极的尺寸,较大晶体的调节更高。此外,当降低电路中的负载电容时,微调会增加。因此重新设计具有较小晶体的电路时,可以预期微调较少,频率更稳定。当电路中的负载电容需要减小以保持负电阻和安全系数,微调也会增加。当较小的晶体替换较大的晶体时,整体上的调整将保持不变甚至增加。因此,在小晶体设计过程中的一个重要步骤是为 C 选择合适的电容器a和 C b并评估电路中的正确负载电容。只有这样才能保证晶体在其规格范围内振荡。

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