晶体震荡电路的设计与量测

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1、在半導體製程技術的不斷提升下，產品體積大幅縮小，對功能與運算時脈卻更為要求，因此，本文以晶體震盪電路的設計與量測為題，探討相關特性與技術。由於科技的日新月異，IC內部的複雜度與精確度較從前大幅提升，所需的時脈速度也越來越高，相對的要求時脈的穩定度與精確度也大幅提昇，如何利用晶體（Crystal）來設計與量測所需的振盪電路，已經成為一個重要的課題，以下我們分成幾個部分加以討論。電氣特性有鑑於其晶體電氣特性的複雜，我們針對晶體的電氣特性或是振盪電路有影響的部分，做一詳細討論，由於陶瓷/晶體的電器特性相似，所以也一併討論。等效電路陶瓷/晶體雖然在電器特性上有些差異，但是等效電

2、路(圖一)是相同的，雖然陶瓷振動的諧振現像，可以視為與晶體相同，但主要差異在陶瓷振動的振盪頻率，電感L1較小，串聯電容C1相當大，此乃意味著串聯諧振頻率（fs）與並聯諧振頻率（fa）差（即fs-fa）會變得相當寬闊。　　圖一Crystal/Ceramicmodel　圖二串聯共振並聯共振當晶體工作在串聯共振時，等效電路(圖二)阻抗在時是趨近於0，好的串聯共振線路設計，與負載電容無關，所以就不需要指定。當晶體工作在並聯共振時，就像一電感在電路上，因此負載電容就非常重要，因為它可以決定振盪點的位置，如(圖三)所示。而且電抗改變，頻率也跟隨著改變，所以在不同頻率與間，由、L1決

3、定，在並聯線路的設計上，負載電容是需要指定的，如(圖四)所示。圖三並聯共振頻率區域　圖四並聯共振　AT-CUT與BT-CUT典型的AT-CUT曲線是S形，BT-CUT曲線是拋物線形，如(圖五)所示；兩種Cut都對稱於室溫（25℃±3℃）。在相同的頻率下，BT-CUT的Quartzblank相對的比A-CUT厚，因此提供較好的Yield與低單價，在選擇適當的切割前，要注意的是他們所擁有的不同移動參數和頻率VS溫度特性。　圖五溫度曲線圖　改變負載電容和PullabilityPullability是定義頻率與負載電容的關係，而負載電容是指與晶體串聯或是並聯的電容。如果晶體工作

4、在並聯振盪時，晶體就會等效於電感，當電抗改變時，頻率也會跟著改變，不同的頻率在與間，由晶體的與CL決定。（公式一）　相同的晶體在3倍頻工作模式下，Pullability影響較小，因為C1在3倍頻模式下的電容值是在基頻下的約1/9。 如果CL小或者是C1大，則頻率的靈敏度就會提升，導致在較小負載電容的情況下，設計和控制準確頻率的難度很高。OvertoneCrystal倍頻的晶體架構(圖六)，為基頻的奇數倍。　圖六overtonecrystalmodel　Crystal的基本參數（公式二）　　（公式三）　　　（公式四）　（公式五）　Changefrequency（seria

5、ltoparallel）　振盪原理在瞭解晶體的電器特性後，我們可以來設計一個穩定的振盪器，使用放大器來設計振盪線路，必須滿足在起振頻率點的兩個條件： (1)必須為正迴授，即在輸入與輸出的相位相差360度。 (2)在起振頻率開迴路增益必須大於一。就像Barkhausen所提的法則，共振器必須把需求頻率以外的增益抑制，並提供所需的相位偏移。(圖七)是描述兩個最普遍的振盪配置圖，是使用反相器來做振盪，是目前最受歡迎的設計方式。　圖七(a)串聯共振振盪器(b)並聯共振振盪器　為完整起見，我們也畫出使用離散元件來設計振盪電路，如(圖八)所示。我們使用雙極性或單極性電晶體來達成，今

6、天這些振盪器似乎被限定在專門的應用或是非常便宜的玩具上。　圖八(a)Pierce振盪器(b)Colpitts振盪器(c)Clapp振盪器　考慮串聯振盪如圖七(a)所示，兩個反向器達成360度的相位移，當晶體在起振頻率時，阻抗相當於R1，有最少衰減。第一個反向器上的電阻是提供一個偏壓，使它能工作在線性區。第二個反向器驅動晶體振盪出方波。由於晶體的高Q值和反向器的增益在高頻時會急遽下降，方波所包含的諧波被壓抑，所以sinewave可以在第一個反向器輸入端觀察到。並聯共振，如圖七(b)，是目前被使用最多的方法，通常被當作IC內部clock使用。不像串聯共振，它只需要一個反向器

7、提供一個180度的位移，剩下的90度位移由R2C2來提供，晶體本身振動在串聯諧振，晶體內部的R連同C1增加90度，全部共移動360度，R1是提供反向器工作在線性區。如果有足夠的增益在晶體的振盪頻率，就可以滿足Barkhausen法則。 理論上，Crystal工作應如上述所說，但實際上並非這樣。首先，特別是在高頻，反向器會出現內部的延遲，導致相位會大於180度，大約在185度以內。再來就是R2C2在實際的情況下，相位偏移量會小於90度，大約在73度，所以如果要使晶體振盪，則必須移動串聯共振點，改變晶體阻抗（即晶體內部的R與電感），直到相位偏