愛普生石英晶體諧振器電路設計暨測試驗證介紹
How to design & verify a Stable Oscillation Circuit from Crystal unit
文: 邱秉毅
服務於台灣愛普生科技股份有限公司，電子零件事業部。
【第四部】振盪頻率測量
振盪器設計於電路中，其最重要的項目為提供系統所需頻率，但系統對於頻率精準 度有其最大規格上、下限需求，相關規格需求將視所選用搭配系統晶片和產品會有不 同要求，例如 Wi-Fi (IEEE 802.11) ≤ ±20ppm、Bluetooth (IEEE 802.15) ≤ ±40ppm、 Ethernet (IEEE 802.3) ≤ ±50ppm 等，
當要量測使用石英晶體自行設計石英振盪電路實際頻率量測方法，愛普生實驗室是採用改造於主動探棒來當偶合用信號天線，再結合信號放大器，將電路板上的振盪信號以非接觸式偶合方法來量測信號頻率，信號先接入試波器後，再輸出給計頻器。
我們以非接觸式偶合感應其振盪頻率信號，所量測得到的頻率精準度非常可靠，它不會因為主動探棒直接碰觸振盪電路某點，振盪電路頻率將會因來自主動探棒本體電容和容抗值，影響到振盪電路實際負載電容量，造成真實振盪頻率因為量測頻率方法不佳造成的頻率量測偏差。
圖十一，為愛普生量測石英晶體在振盪電路上產生頻率的方法，試波器是讓我們用
來檢驗待量測指定的振盪信號波形是否異常?是否會觀察到來自電路中電源雜訊，或是有異常信號來自不同層走線所偶合來的寄生波形，或其它雜訊來源?
來檢驗待量測指定的振盪信號波形是否異常?是否會觀察到來自電路中電源雜訊，或是有異常信號來自不同層走線所偶合來的寄生波形，或其它雜訊來源?
如果待量測振盪電路信號本身品質沒有問題，將會用計頻測讀取振盪頻率數值。
石英晶體定義頻率精準規格為數值範圍，故被量測電路上的石英晶體自身偏差數 值，將會影響被量測盪電路的頻率偏移特性的觀察。在輸出頻率評估時，主要是以頻 率偏差值進行判斷，其頻率偏差值(Frequency deviation)計算方式為下，
[(振盪電路量測之輸出頻率)-(石英晶體自身頻率)∕ 額定頻率值 ]x10⁶
通常判斷振盪電路頻率偏差量標準，以高頻 AT-Cut MHz*石英元件來說，室溫檢查 量測時預設頻率偏差量，約接近 0ppm 越好(通常，我們會忽略正偏或負偏)。但是否 精準的同時，必需要兼顧負性阻抗和驅動功率是否符合設計條件。
*使用於計時器用 32.768kHz 音叉式石英元件，預設頻率偏差最好常保持正偏差。
【第五部】振盪電路頻率(F)、負性阻抗(-R)、驅動功率(Drive Level)間相互關連
引響振盪線路頻率精準度或穩定與否，重要的參數就是整個線路上的負載電容 CL (Load Capacitance)，它是由 Gate 端的頻率調整電容(Cg)和 Drain 端的頻率調整電容(Cd) 及 PCB 走線和 IC 內部整體雜散電容(CStray)等三個變數共同組成。
其中 Crystal 負載電容及兩個落地電容為已知的參數，我們可以透過下列公式概略求 得雜散電容值:
初版 PCB 電路設計，我們可依上公式，振盪電路中未知的 Cstray 偏差值，以 2 ~ 3pF 數值先「暫時」代入，便可概略推算出所需外掛於 Cg 和 Cd 端的電容值，初步設計 時，我們通常只需設定 Cg=Cd 兩端外掛相互等同電容數值便可。
(例)
當選用石英元件 CLoad = 12.5pF 時，我們將 CStray ≈ 2 ~ 3pF 暫代入推算 在此，可計算得到 Cg = Cd = 18pF ~ 22pF 為概略建議範圍，相關 MLCC 電容數值挑選，請依貴司常使用 MLCC 標準零件值來決定。
當選用石英元件 CLoad = 12.5pF 時，我們將 CStray ≈ 2 ~ 3pF 暫代入推算 在此，可計算得到 Cg = Cd = 18pF ~ 22pF 為概略建議範圍，相關 MLCC 電容數值挑選，請依貴司常使用 MLCC 標準零件值來決定。
[ 5-1 ] 當外掛電容 Cg//Cd 增加時，其輸出頻率變慢、負性阻抗(-R)降低; 相反，如外掛電容 Cg//Cd 降低時，其輸出頻率變快、負性阻抗(-R)增加。 如下圖十一所示:
[5-2] 關於限流電阻(Rd)調整，主要的目的為降低驅動功率，讓使用的石英晶體在 振盪電路的特性能夠常保持穩定條件;隨著外掛電容調整可達高精準度，但驅動功率亦會隨之變動，故需藉由限流電阻(Rd)，進行調整達其目的。
當限流電阻增加時，驅動功率、負性阻抗兩者皆降低;相反，當限流電阻不用 或是將其降低時，驅動功率、負性阻抗兩者隨之增加(參閱圖十二)。此限流電阻於電路設計時，如有預留，可調整搭配主晶片設計驅動功率過大時，可藉由此 Rd 進行微調，相反如無使用可以零歐姆電阻代之。
由於增加限流電阻有其極限，無法無限增加，故需取得各參數平衡。
[5-3] 當選用石英晶體選用的 CLoad 低於實際振盪電路的 CLoad 時，依此條件匹配下所量得輸出頻率會變較慢(負偏差)，
如需取得精準輸出頻率，需將電路中的兩外掛 Cg、Cd 電容漸次調小，達成相互
匹配平衡;
匹配平衡;
反之，當選用石英晶體選用的 CLoad 高於實際振盪電路的 CLoad 時，依此條件匹 配下所量得輸出頻率會變較快(正偏差)，
如需取得精準輸出頻率，需將電路中的兩外掛電容調大，達成平衡。參考下圖十三所示:
