石英晶体振汤线路之回路分析与最佳化调整

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1、石英元件技術石英晶體振盪線路之迴路分析與最佳化調整作者：AaronHsu台灣愛普生科技電子零件事業群引文：石英元件具有穩定的壓電特性，能夠提供精準且寬廣的參考頻率、時脈控制、定時功能與過濾雜訊等功能。此外，石英元件也能做為運動及壓力等感測器，以及重要的光學元件。因此，對於電子產品而言，石英元件扮演著舉足輕重的地位。本系列技術專欄將介紹石英元件的技術關鍵、新興製程與應用領域。本文將介紹石英晶體振盪線路之迴路分析與最佳化調整。本文：石英晶體單元的主要用途之一，就是為電子產品提供計時、參考時脈與時脈控制等功能。這類應用對於輸出頻率的準確性有很高的要求，

2、因此為了避免產品出廠後因石英晶體振盪電路系統的偏差，造成某些功能運作失常的現象，愈來愈多廠商開始重視晶體振盪線路的迴路分析，希望了解自己的振盪線路的偏差範圍為何，才能在設計階段就先進行線路調整，以達到最佳的電性匹配。振盪線路迴路分析的目的一個石英振盪線路必然會存在一定範圍的誤差，問題是如何了解這個誤差範圍，並將誤差值控制在最小的範圍以內。振盪線路主要有三種誤差來源，一是石英晶體單元本身就存在有不同的精度（也就是容許誤差），例如音叉型晶體元件的精度從±10到±100ppm都有，而一般AT型晶體單元的精度約為±50ppm，高精度晶體單元約為±10pp

3、m。第二種誤差來源是石英晶體的溫度特性，也就是隨溫度變化會出現頻率偏差的現象。石英頻率會隨溫度變化而改變，這是因為石英材料在各個座標軸向的熱膨脹係數不同。當溫度改變時，各軸向晶格距會產生些許變化，造成頻率的偏移。雖然不同型態的晶態會有不同的頻率對溫度特性，但在定義上會以室溫25℃為相對零點。以AT型晶體來說，其特性是三次方程式的頻率對溫度特性曲1線；kHz等級的音叉型晶體的特性則為拋物線方程式。在進行最佳化的匹配時，必須針對不同的溫度特性來做調整。32.768kHzAT圖一石英晶體的頻率對溫度特性曲線（圖片提供：EpsonToyocom）第三種誤

4、差來源來自振盪線路上的週邊元件配置，這些元件包括石英晶體、半導體IC、週邊電阻/電容，以及PCB走線。不同的配置方式對於振盪線路的整體誤差會有很大的影響，例如電容器的擺放位置，或電容值的選取等，都需妥善的規劃，才能得到最佳化的表現。圖二標準的振盪線路配置圖（一般週邊線路以半導體廠商在規格書中的建議為主，當然也會有例外。）進行振盪線路迴路分析的目的，就是為了檢視石英晶體在整個振盪線路中是2否得到理想的匹配。透過迴路分析，研發人員可以在線路設計階段就了解石英晶體振盪線路的匹配狀況，避免在量產後才發生問題，因為再更動設計很不容易。目前許多大廠已將振盪線

5、路的迴路分析定義為量產前的標準驗證程序之一。避免在量產後才發生振盪線路不起振的問題，或是頻偏誤差太大等狀況，倒頭來還是得透過迴路分析來幫忙釐清問題。迴路分析要點振盪線路迴路分析包含三個基本的面向，介紹如下：1.頻率容許誤差（FrequencyTolerance）的量測：此項工作在於量測振盪線路電路板上的石英晶體起振後的頻率，與所需求的中心頻率相差多少，以了解此電路板的頻偏誤差範圍。頻偏誤差的計算公式如下：頻偏誤差=（量測頻率值–中心頻率值）/中心頻率值x1,000,000（得出的單位為ppm）。例：如果中心頻率值為32.76800kHz，量測頻率

6、值為32.76824kHz，頻率誤差則約為+7.32ppm。不同的功能會有不同的頻率容許誤差，以32.768kHz石英晶體振盪線路來說，一天誤差一秒，則相當於產生±11.57ppm的頻率誤差。通常即時時脈（RTC）的可接受值介於0ppm到10ppm，其他依功能不同，容許誤差可能會有高有低。量測出振盪線路的頻偏誤差是相當重要的，因為若實際輸出的頻率超出頻率容許誤差太多，在實際運作上就可能造成系統不可靠的後果。例如RTC的時間很容易就變快或變慢、視訊影像可能從彩色變成黑白、或通訊系統因無法同步而收不到訊號資料等。2.驅動功率（D.L.，DriverL

7、evel）：驅動功率是指石英晶體單元的消耗功率，其單位是微瓦（µW），可透過量測流經石英晶體的電流，再換算求出它所消耗的功率。功率量測值應該要小於個別晶體元件在規格上所定義的最大值，其計算公式為：P(uW)2=IxRe一個振盪線路在設計上必須提供適當的功率，以讓石英晶體單元開始起振並3維持振盪。此功率應該越小越好，除了能更為省電外，也和線路的安定性及石英晶體的壽命有關。振盪線路若提供過高的驅動功率，也會使石英晶體的非線性特性發生變化，以及造成石英/電極/接著材料的介面惡化，進而造成振盪頻率和等效阻抗的過度變化。當石英晶體長時間在過高的驅動功率下工

8、作，會出現不穩定的現象。以32kHz的石英晶體單元來說，當驅動功率過大時，有可能導致內部音叉型晶體的斷裂；對於MHz等級的AT型晶體來說