在各類電子設(shè)備中，從單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)到工業(yè)控制與通信系統(tǒng)，時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性決定了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。今天凱擎小妹將聊一下兩個(gè)經(jīng)常被忽視卻極其關(guān)鍵的概念：負(fù)阻抗與起振余量。

振蕩器為什么需要負(fù)阻抗?

在普通電路中，電阻是消耗能量的。但在振蕩電路中，放大器通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)可以表現(xiàn)出一種等效的“負(fù)電阻”特性，向晶體提供能量以補(bǔ)償其損耗。

石英晶體本質(zhì)上是一個(gè)高Q值的諧振器，但它自身存在等效串聯(lián)電阻ESR，如果沒有外部電路補(bǔ)償能量，振蕩會(huì)迅速衰減直至停止。因此，回路中的負(fù)電阻絕對(duì)值|?R|必須大于晶體的等效串聯(lián)電阻RR。

什么是起振余量?

起振余量可以理解為振蕩電路所提供的負(fù)電阻能力，相對(duì)于晶體損耗電阻的“富余程度”。建議振蕩寬限為晶振等效串聯(lián)電阻RR的5倍之上：

│?R│ ≥ 5 × RR

當(dāng)振蕩進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，系統(tǒng)能量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，關(guān)系趨近于：

RR ≈ │?R│

起振余量不足會(huì)帶來(lái)什么問題?

在實(shí)際產(chǎn)品中，起振余量不足往往不是“完全不起振”，而是表現(xiàn)為各種隱性故障：

上電偶發(fā)不起振

冷啟動(dòng)失敗

高溫或低溫停振

批量一致性差

使用一段時(shí)間后，老化停振

負(fù)電阻的測(cè)量方法

負(fù)電阻測(cè)量的方法是在晶體一端串聯(lián)一個(gè)測(cè)試電阻Rtest(建議使用低感抗電阻)，逐步增加阻值，直到振蕩剛好停止。

負(fù)電阻 ≈ Rtest + 晶體 RL

該數(shù)值反映了振蕩電路的實(shí)際負(fù)阻能力。這種方法是評(píng)估MCU內(nèi)部振蕩能力的常用手段。更多內(nèi)容：《無(wú)源晶振：驅(qū)動(dòng)功率、負(fù)性阻抗》

起振余量不是越大越好

雖然余量越大越容易起振，但過(guò)高也會(huì)帶來(lái)副作用：

功耗增加

相位噪聲惡化

頻率穩(wěn)定性下降

晶體過(guò)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致壽命縮短

采購(gòu)晶振建議關(guān)注的點(diǎn)

晶振不是普通通用器件，而是與電路高度耦合的功能器件。KOAN凱擎小妹有如下幾點(diǎn)建議：

考慮影響穩(wěn)定性的參數(shù)：ESR，負(fù)載電容，驅(qū)動(dòng)功率，工作溫度范圍，老化率等。

關(guān)注ESR上限而非典型值：規(guī)格書中的Typ值只代表平均水平，Max才決定最壞批次風(fēng)險(xiǎn)。

避免隨意替代型號(hào)：即使頻率、尺寸、ppm相同，只要ESR或CL不一致，就可能導(dǎo)致起振失敗。

低價(jià)的隱性成本：低價(jià)晶振常見問題有ESR離散大;批次一致性差;老化快;高溫停振等。

KOAN晶振

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