晶體振蕩器的輸出頻率直接影響數(shù)據(jù)傳輸同步、信號采樣精度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。然而,頻率精度并非僅由晶體本身的品質(zhì)決定,電路中的負載電容同樣起著決定性作用。負載電容的偏差會引起工作頻率的系統(tǒng)性偏移,從而在長時間運行中造成顯著的計時誤差或通信誤碼率提升。
以32.768kHz手表晶振為例,如果因負載電容不匹配導致 20ppm 的頻率偏差,手表每天就會走快或走慢約 1.73 秒,一年誤差超過 10 分鐘。
負載電容
晶振的工作原理可以想象為一個機械擺動系統(tǒng),其振蕩頻率由“擺錘質(zhì)量”和“懸掛長度”共同決定。在電路等效模型中,“擺錘質(zhì)量”對應于負載電容。負載電容是晶振所感知到的總電容,包括:
外接到晶振兩端的匹配電容;
PCB走線和焊盤的寄生電容;
芯片輸入管腳的內(nèi)部電容。
在晶振的產(chǎn)品規(guī)格書中,通常會標注一個額定負載電容值(例如 12.5 pF),這一參數(shù)為理想的“等效質(zhì)量”。當實際電路的總負載電容等于該額定值時,晶振才能在標稱頻率下穩(wěn)定工作。
匹配電容
晶振兩端各接到地的外部電容,用于調(diào)整實際電路中的總負載電容,使其接近晶振廠家給定的 CL。因為實際電路中除了 C1 和 C2,還存在 PCB 走線、焊盤、芯片管腳等帶來的寄生電容"Cstray",所以匹配電容的作用就是補償并調(diào)節(jié)這些額外電容。
如何縮小實際與額定 CL 的差距?
要讓實際負載電容接近晶振廠家給定的額定值,首先需要根據(jù)規(guī)格書中的負載電容和電路中測得的寄生電容,計算出合適的匹配電容大小。設(shè)計時應盡量縮短晶振與主控芯片之間的線路,減少寄生電容,同時選用溫漂低的電容器件。
在調(diào)試階段,通過頻率測量判斷實際頻率偏差,頻率偏低時減小匹配電容,偏高時增大匹配電容,并進行高低溫測試和批量抽檢,確保頻率穩(wěn)定,避免環(huán)境和生產(chǎn)差異帶來誤差。
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原文標題:晶振負載電容與精度的關(guān)系
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