用具体的振荡回路解说

科耳皮兹型振荡回路

如图4.8-1所示以科耳皮兹型振荡回路为例，调查振荡频率、负载电阻及频率可变幅度等。

(a)振荡频率

如果水晶振子的公称频率为10MHz，负载电容为16pF，水晶振子的各参数就如下表所示。

图中C3是用来调整振荡频率。回路负载电容CL与各电容定数间有下面公式的关系，这样就求得了C3。（图我在收集---四川）

这时由于CL=16PF、C1=100PF、C2=300PF，那么C3=20.3PF。但是，由于有Tr的基础电容和回路上的杂散电容，实际的振荡频率比10MHz要稍微降低一些，可以使用可调电容等来微调C3。

振荡频率的可变幅度依据公式4.6（1）从各个负载电容计算后求得其差。

例如，表4.8-1的小型水晶振子定数C0=1.9pF，r=250，如果C3在10pF～30pF之间的话，CL就可以在8.8pF～21.4pF之间变动。那时从谐振频率 fr得来的变化率为，CL=8.8pF时，△fL/fr=355×10-6；CL=21.4pF时，△fL/fr=163×10-6。其差192×10-6就是频率可变幅度。

另外从图4.8-2可以知道，如果负载电容小，电容变化，频率变化变大；负载电容大，频率随电容变化的灵敏度小。计算牵引量必须决定负载电容CL。旧型号水晶振子的可变幅度为402×10-6，即使是相同回路，旧型号也有很大的调整幅度。

表4.8-1 小型与旧型号谐振器的定数及特性的比较

项目	小型谐振器	旧型号（HC-49/U）
公称频率（MHz）	10	10
R1（Ω）	25	13
C1（pF）	7.6×10-3	22.7×10-3
C0（pF）	1.9	4.8
C0 / C1	250	211
Ts	11.9ppm	26.2ppm
调频范围	192ppm	402ppm

(b)负电阻

如图4.8-1所示振荡回路的负电阻，如果Tr的gm定为50mS的话，从公式(4.5)就可得到-422Ω。在这个回路中由于电容C1、C2的电抗受到并联电阻单元的影响，就比这个值小。对于考虑到这个电阻频率的负电阻的模拟结果，如图4.8-3的曲线A来表示。10MHz的负电阻是-320Ω。前面所讲的补偿频率约为3MHz。（图形在收集---四川）

另外，负载电容为16PF的小型谐振器(R1=25Ω，C0=1.9pF）的负载时等效电阻RL，从(4.4)可以得到31.3Ω，负电阻约为10倍，发振余度就很充分了。

曲线B和C是改变电容C1、C2时的负电阻，在10MHz上，越减小电容，负电阻就越大。负载电容改变后，振荡频率就容易发生变化，因此必须注意。

实际的负电阻测定方法依照4.5项所述的内容。

2、不调整型泛音振荡回路

关于图4.8-1所示的适用于科耳皮兹型振荡回路的泛音振荡，假定振荡频率为30MHz，我们试着商讨回路常数。图4.8-3曲线A的负电阻特性在30MHz时，只取30Ω ,而且30MHz时的基频由于在10MHz以下存在着补偿频率，在没有满足30MHz的振荡条件时，10MHz就已经起振了。

由于将补偿频率fc定为10MHz以上，考虑前面讲的并联电阻后，决定各电阻单元和电容，从而求得负电阻（如图4.8-5）。fc是15MHz，负电阻定为-200Ω，如果水晶振子3次泛音的负载时等效电阻RL在200Ω以下的话，就有全部振荡的可能。

3 CMOS振荡回路

（a）振荡频率

图4.8-6表示通常使用的CMOS换流器回路的振荡回路。在这个回路上采用公称频率为10MHz、负载电容为12pF 的水晶振子，下面针对在这种情况下的电容系数进行商讨。

CMOS换流器阀门侧的电容Cg及序列侧的电容Cd都存在寄生电容和杂散电容。如果这个电容值在阀门侧和序列侧各定为6pF的话，那么合成电容就是3PF。由于水晶振子的负载电容CL=12pF，所以将减掉3pF后的9pF设定为Cg、Cd 的合成电容。结果Cg=Cd=18pF。这样水晶振子的负载电容就是电容容量与寄生和杂散电容的合成值，负载电容决定了振荡频率。调整频率通常将Cg(还有与Cg并联的电容)定为微调电容。

回路中的电阻Rd，根据换流器的序列的大小，除去对电容Cd的电抗的影响，为了限制后面讲到的水晶电流而被使用。

(b)负电阻

在CMOS换流器回路上，如果不装电阻单元Rd的话负电阻就会过大，一定要插入Rd后，再调节负电阻。举个例子，将负电阻设定为10倍，那Rd大概就是2KΩ

（C）晶体电流

使用小型振子设计CMOS换流器回路时，必须特别注意晶体电流。如果没有电阻Rd的话，就会有过大的晶体电流，就容易励起水晶振子的寄生等，振荡就不稳定。

图4.8-6的回路电流，用高频电流探测器测定约为0.5mV(60uW)。为了抑制水晶电流，只要减小电容Cg、Cd的话就可以了。但是由于负载电容发生了变化，振荡频率也会跟着发生改变。

另外，降低晶体电流最好的方法就是放大电阻Rd，但是由于负电阻容易减少，所以必须注意确认。

为了简单地求得这个回路的负载电容CL，如果将IC的输入电容和基板焊盘电容设为Cs的话，那么就可以用下面的公式来表示。

总之，为了放心的使用谐振器，振荡回路必须使用高输入阻抗的MOS-IC，将振荡回路的负性电阻R1设计为谐振器负载时等效电阻RL的5倍以上。与标准值相比，要严格要求谐振器的串联电阻R1，但如果增加了水晶振荡子的制造成本，那就不能说找到了解决振荡不稳定的好方法。

5. 贴装方面的注意事项
5.1 晶振共通的注意事项 …………………………………….		61
5.2 谐振器 ……………………………………		64
5.3 晶体振荡器 ……………………………………………		65

5. 实装上的注意事项

1 关于使用环境

(1)耐气候性

(a)使用中及保管中的最高和最低温度以及湿度

(b)有毒气体、水、盐水或者沾油的环境

(c)臭氧、紫外线及放射线照射的环境

(2)电气、机械环境

(a)出现静电或容易出现静电的环境

(b)受振动的环境

(c)受冲击的环境

(d)受拉伸和弯曲力的环境

对超过规定范围使用的情况有诱发频率变化、阻抗变化、产品脱落、泄露、停止振荡、静电破坏等致命缺陷的可能，所以要在确认性能后再使用。

2 关于搬运及保管

(1)搬运

要避免使产品受到冲击、长时间振动及包装变形等外部加压的搬动方法。

(2)保管

不可在高温、高湿的条件下保管。在充满水、盐水、沾油的环境及有毒气体(碱水、亚硫酸、亚硝酸、碱、氨等)存在的环境不可保管。导致外观不良(外壳、引线等变色、生锈)和特性不良(频率偏差)等情况下不可保管。引起引线的焊锡氧化、焊接特性恶化的情况不可保管。

关于表面贴装品的编带，盖带的分离强度会随时间的变长而增大，在使用时盖带容易断裂。

3 关于水晶装置的安放

引线型水晶装置密贴实装在印制线路板上时，基板上插孔的间隔必须与水晶装置引线的间隔相吻合，如果间隔与孔不吻合就强行插入的话，基座的玻璃部分就会裂开，损坏其密封性，这是造成性能恶化的主要原因。

4 焊接后的使用

将晶振焊接到线路板上后，不要使其受到意外的冲击或应力。特别是引线型晶振在倒下或拧转时，如果用力扳回，底部的玻璃部分就会产生裂纹，容易引起密封不良。

另外，SMD型的晶振如果引线剥离或者外壳上有裂纹都会导致性能的恶化。

根据晶振的种类，因为有不可以用超声波清洗的，如果计划要用超声波清洗的话就请与制造方联系。根据超声波的频率和输出功率的大小，有导致晶片由于共振动而导致破坏的可能，请予以注意。

另外，小型水晶装置由于受到线路板弯曲等应力，会发生封装破损和裂纹，要引起注意。

5 关于SMD型元件贴装在线路板上后受到急速的温度变化的影响

使用陶瓷外壳的表面贴装型晶振时，由于贴装线路板的材质与陶瓷有不同的热膨胀系数，长时间反复在大温差环境下作业，焊接部位就会产生龟裂。如果考虑到是那样的环境条件，最好提前进行确认。

.6 关于回路焊盘的设计

晶振焊盘在设计时，为了防止信号干涉和异常振动，请尽可能限制其长度。与大焊盘间的杂散电容也要设计的小一些，另外，要避免晶振回路的焊盘与其他回路的焊盘交差。

7 关于性能测试

为了得到正确的数据，在确定了周围环境、使用测量仪器和测量顺序后，实施性能测量。

测量时的周围环境

由于测量时的周围环境对测量结果有很大的影响，一定注意以下几点。

(a) 室温要在25±2℃，相对湿度在55%以下进行。

(b) 测量晶振的温度特性时，要用校正的温度计确认恒温槽的温度。

(c)对静电敏感的晶振在使用时，要采取静电对策。

(2) 检查时的测量模具和贴装回路

由于检查时的检测模具与实装回路上的杂散电容和阻抗不同，用检测模具检测时即使原来是良品的，实装到印制线路板上后也有变成不良品的情况。

(3) 注意测量时机和放置时间

(a)测量晶体振荡器频率之前，从打开电源到稳定之前要设定适当的预热时间。

(b)测试温度特性等时侯，在加热后要等到各项性能完全稳定后再测试。

（4）关于激励电平

激励电平依据个别式样的规格值来使用，请进行回路条件等的设定。激励电平如果超过规格值较多，根据振子的形状振荡频率在正极或负极会出现偏移，这一点请注意。

8 信赖性试验

信赖性试验有多种方法，由于过度的应力可能会产生恶化和破坏，要在式样规定的范围内实施。

（1）加温的时候

通常冷热循环和高温放置（老化）比较普遍。还有其他冷热冲击，由于应力变大，在实施前请与制造方进行协商。

（2）进行振动的时候

施加振动时晶振本身具有应有的机械谐振频率，如果振动频率一致的话，就可以施加较大的振动，扫描正弦波振动就可以任意施加振动。

(3) 下落冲击的时候

下落冲击会使晶振状态恶化(应力蓄积)，但实验品也有混杂在良品中出货的可能，所以要控制进行。

9 回流焊接

回流焊接条件(预热、最高温度、时间及过炉次数等)请在说明书或个别式样书规定的范围内进行。

另外，使用红外线加热器时，由于晶振的颜色和材质不同，其红外线吸收率也不相同，所以必须确认加热的程度

晶振采用回流焊接时，请依据个别式样书规定的炉温曲线进行作业。参考图5.1-1，使用有铅焊锡（Sn-37Pb）进行焊接的例子。参考图5.1-2，使用无铅焊锡（Sn-3.0Ag-0.5Cu）进行焊接的例子。

回流炉温度如图5.1-3所示，需要在晶振旁边测量温度。使用无铅焊锡时，由于各种焊锡的成分不同，温度曲线也各不相同，这要与制造方进行充分的协商。

2 水晶振子

2.1 引线型水晶振子

关于印制线路板的设计

搭载到线路板上的晶振如果比其它元件高的话就会被某种物体碰到，也就对基座施加了异常的外力，基座底部的玻璃珠会损坏。因此，尽可能让晶振和与它相似高度的元件一起实装。

(2) 晶振的固定

晶振竖立安装在线路板上时，为了防止由于机械共振导致的引线疲劳，请尽可能密贴线路板焊接。如图5.2-2那样晶振卧倒时，为了防止基座的玻璃部裂开，不要将引线从晶振的玻璃部直接弯曲。为了不出现图中虚线表示的状态，应提前进行弯脚成型加工之后再实装，用带子和粘胶等固定到基板上。

(3) 焊接

关于晶振的焊接温度条件，在设计时要考虑晶振能与普通的电子元件匹配，根据产品的种类要限定条件。另外，引线型晶振卧倒实装后进行回流焊接时，关于温度条件和焊接后晶振的性能，要与制造方充分协商。

2.2 SMD型晶振

(1)根据在基板上的实装方向，有频率差异

在小型SMD振子上采用金属引线时，根据构造的不同，从晶片上的电极到基座接头的导体(2根)的长度各有不同。这样的构造，由于各个焊盘的杂散电容不同，根据振荡回路构成及金属引线的接地等改变晶振的搭载方向的话，振荡频率也回发生变化。这是由于金属引线与导体间的杂散电容的影响。(参照图5.2-3)

在振荡回上如果谐振器的两端连接有较大容量的电容，即使搭载方向改变180°也不会有极端的频率变化。但是，当谐振器的片端接地时，就会有很大的频率变化，这必须注意。（参照图5.2-4）

2 晶体振荡器

3.1 静电破坏

使用C-MOS IC的晶体振荡器时，如果有静电的话IC就会被破坏。对于包装方法、实装时的焊接等方面要注意，不要出现与C-MOS IC相同的静电破坏。

3.2 可调电容

使用可调电容来修正频率类的振荡器时，请使用与可调电容尺寸匹配的螺丝刀。如果强拧可调电容的话，容易使其损坏。

用具体的振荡回路解说

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