KDK晶体振荡电路的电路匹配

KDK晶体振荡电路的电路匹配
为了避免批量生产基板上振荡故障
作为使用晶体振子组成振荡电路时避免风险的手段，电路匹配的重要性逐渐被认识到。
批量生产时，石英振子具有的各种参数(规格项目)在规格范围内有偏差。 另外，振荡电路本身，即使用的IC、电容器和电阻也有偏差。
即使石英晶振/电路元件双方有偏差，也要事先根据测量数据一个个地验证成为起动不良和振荡停止等风险主要原因的项目，为了能够将风险主要原因最小化，提出变更电路的c和r的值，根据需要变更作为石英振子的规格项目的负载电容和ESR的值，这是电路匹配
为什么需要电路匹配
●如果用于振荡的条件不充分，则有可能发生故障
石英振子是无源部件，所以在IC的外侧组装振荡电路，在那里安装石英振子，从而由IC提供电力(功率)来进行振荡。
但是，为了使搭载的石英振子发挥其本来的功能，以适当的频率开始振荡并持续振荡，需要与IC、振荡电路的电容器、电阻等具有最佳的条件关系。
最佳振荡条件不满足或不充分的情况下，即使搭载的石英振子在规格范围内，量产后也有可能发生启动不良或振荡停止的故障。
●需要进行考虑到各部件偏差的电路匹配
石英振子在规格内也有偏差，IC和电路的c、r也有偏差。
即使存在这样的偏差，为了将电路上的振荡条件引起的振荡故障最小化，也需要进行电路匹配。
●小型水晶有无形的风险
而且，最近水晶设备也越来越小，用户在设计基板的时候，使用小零件的话机器也可以变小，所以可能有小型化的优点，但水晶的小型化其实有看不见的风险。
大水晶也有风险，但小的话风险会提高。
小型是指大致3225晶振以下的尺寸。
● ESR是阻碍振荡的主要原因
做电路设计的开发技术人员可能不太注意到，石英振子的规格项目中有一项叫ESR。
这是Equivalent Series Resistance (等效串联电阻)，简单来说是水晶所具有的电阻成分，是对振荡的阻碍因素。
该ESR值越小对振荡器振荡越有利，但石英振子的封装尺寸越小，该值越大。
请参见图1。
该图表显示，大型水晶的ESR偏差中心为较低的值，偏差幅度也较小。
中型的话中心值会上升，偏差也会变大。
据说小型水晶的中心值变得相当大，偏差的幅度也相当大。

●即使是相同的30MHz基波，规格也因封装而异
例如，以30MHz的基波振子为例，石英振子的ESR标准值如表1所示(九州电通的情况)。
即使是同样的30MHz，封装尺寸越小，作为振荡阻碍主要原因的ESR的标准值也越大。
对比任何水晶制造商的数据都有同样的趋势。
因此，认识到ESR标准值因封装尺寸而异是很重要的。

●在不进行电路匹配的情况下变更为小封装而发生故障的事例
作为故障的实例，对搭载了MET(7.5×5mm )的30MHz的基板进行改版，单纯地更换BIT(2.0×1.6mm )的30MHz振子，由于在试制中没有问题，所以直接进入批量生产，有发生了振荡故障的用户
这也是因为小型石英振子没有注意到ESR变大而对振荡不利的状况，进行电路匹配，将BIT(2.0×1.6mm )贴片晶振的ESR的规格为100Ω max纳入计算中，研究电路常数等，研究电路常数
即使是大的水晶也有振荡风险，但以水晶越小风险越大这一认识为前提，委托水晶制造商进行电路匹配对避免振荡风险很重要。
● IC制造商不知道所搭载的水晶的尺寸
IC的操作手册中有单纯使用30MHz的指示，用小型水晶进行试制，搭载了如指示的电路常数的c、r部件，由于试制产品的评价良好，直接进入批量生产，可能会出现问题。
IC制造商也接受水晶制造商提供的试制水晶进行了实验，可能在数据表上记载了电路常数等。 但是，IC制造商无法识别用户实际搭载的水晶的尺寸。
只是单纯地收集零件搭载，对样品进行评价就可以了，所以在批量生产这样的数字化思考中，在批量生产中引起问题的风险还是很高的。
●振荡电路为模拟电路，需要微调
最近，即使是大型成套设备制造商，将电路的设计等转包或外部的情况似乎也很多。
可能会有在不知道基本风险因素的情况下完全委托给外部，其受托人也不注意水晶的风险，特别是小型化的风险等，评估试制品没有问题后马上批量生产的情况，但那是非常危险的。
我听说特别是现代，数字电路、CPU、DSP是明星，模拟电路什么的很旧的技术人员很多。
使用水晶的振荡电路，正是模拟的典型。
通过微调电路的部件，将模拟电路所具有的风险降低到最低限度，为此进行电路匹配。
●在小型便携式设备中，为了节约消耗电流而使用晶体振子…电路匹配的必要性/重要性提高
振子有那样的风险，所以想使用振荡器的技术人员也很多。
只是振荡器因为内置了IC，所以无论如何都会消耗电流，但由于振子是无源部件，所以振子单体不会消耗电流。

在小型电池电源的机器中，为了将消耗电流最小化，今后仍然需要用振子组成振荡电路，与石英的小型化相结合，电路匹配的必要性/重要性将越来越大。
负电阻值
用于使水晶振荡的IC所具有的能力
用于晶体振荡的IC具有在什么频率下驱动最大功率的频率特性。
这被称为“负电阻的频率特性”。
集成电路的数据表中记载了该集成电路最强大的驱动频率。
晶体振子具有使电流难以通过的电阻的作用，所以需要在振荡电路的IC等中消除晶体的电阻成分，使振荡启动的力(振荡电动势)、以及使振荡继续的力。
IC具有的该振荡功率称为负电阻(-R )，单位用ω表示。
负×负，为正
“负电阻”是一个很难理解的概念，但“电阻”本来对电流来说就是负的力，因为在“电阻”之前加上了“负”，所以“负”ד负”就是正的。
总之，“负电阻”是正能量。 可以认为是在振荡电路中使石英起动振荡，使振荡持续的功率吧。
与此相对，ESR (等效串联电阻)是阻碍振荡的负功率。
就是“以ω为单位比较对振荡的正功率和负功率”。
电路匹配的首要目的是最大限度地发挥IC所具有的能力
电路匹配的首要目的是找出能最大限度发挥IC所具有的功率，也就是负电阻的各种条件。
在接收电路的阶段确认这个负电阻有多少是最重要的工作。
因为该值很大程度上决定了后续分析的方向。
功率不足时，最初会进行各种调整以使功率达到最大。
振荡裕度
IC所具有的功率与所搭载的水晶的电阻成分之比
最大限度地发挥了IC所具有的功率(负电阻)后，接下来将该功率与搭载的石英振子的电阻成分(振荡阻碍因素)进行大小比较。
如果即使最大限度地发挥IC所具有的功率，石英也具有超过其的电阻成分，或者两者拮抗，则即使将来进入批量生产并接通电源也不开始振荡，或者由于部件的偏差等，有可能引起振荡不稳定乃至振荡停止等故障
在振荡裕度计算中使用ESR的标准值
购买的水晶当然在规格范围内会有偏差，因此，与该偏差的最坏值，也就是以规格值ESR为前提的集成电路所具有的功率相比较，用几倍的倍率来表现的就是振荡裕度。
也就是说，所谓振荡裕度，是用倍率表示假设ESR值为标准值极限的石英振子时，该电路( IC )具有多大裕度的振荡力，只不过是假设的数值。
水晶搭载在电路上的话ESR值会变大…负载时等效电阻
意外地不被注意到的是“水晶搭载在电路上的话，其ESR值会变大”的事实。
变大的值称为“负载时等效电阻RE”。
RE的计算有公式，所以ESR值、并联容量c0、负载容量cL等值进行明确计算。
然后，具体将实测求出的功率(负电阻)与负载时等效电阻进行比较，求出其比。
驱动器级别
驱动电平(激励电平)是使水晶持续振荡、驱动的电力。
石英振子是无源部件，内置在振荡电路中的石英由IC驱动。
驱动电平由集成电路所具有的功率决定，因此严格来说不是晶体振子的规格项目。
但是，根据其值的不同，可能会对水晶的振荡产生不良影响，所以水晶的规格项目中有驱动等级的项目，有时会记载为“100μW max”等。
水晶制造商对成套制造商记载了“请尽量在驱动水平100μW以下的电路中使用该水晶振子”的含义。
在小型水晶中注意驱动器级别
日本水晶设备工业会( QIAJ )的解说书中刊登了如图3所示的图表。
该图表的纵轴为ESR，横轴为驱动器级别。
意味着，如果是HC-49/U这样的大晶体振子，则到10mW左右为止几乎以较低的ESR推移，而变小的话，在较低的ESR值下稳定的只有0.1 mW左右。
在该图表中，可以看到对小型水晶施加0.8?0.9mW以上的激励电平时，ESR值会变大。
ESR是电阻成分，是阻碍振荡的主要原因，所以如果ESR变得过大，引起振荡不良的可能性就会变大。
虽然不总是，但是如果驱动电平过大，可能会引起振荡故障。

如果是7.5×5mm那样的大型水晶，流过1 mW左右可能也没有问题，但是如果是2.0×1.6mm那样的小型水晶，流过1 mW的话很有可能会出现问题
水晶越小型，越容易受到高驱动器级别的不利影响。
介绍了在“电路匹配的必要性”处对搭载了MET(7.5×5mm )的30MHz的基板进行改版，简单地更换了BIT(2.0×1.6mm )的30MHz振子的事例，如果在7.5×5mm时施加1mW 如果只是单纯地将2.0×1.6晶振换乘到那里的话，从驱动器层面来看也有可能发生了故障。
驱动器级别也可以通过电路匹配进行调整，从这一点来看，通过电路匹配将风险降至最低的观点也很重要。
便携式设备用小型水晶时，低驱动器驱动的IC是安全的
一般的IC的情况下，大致标准是驱动器等级最好为100μW左右，但根据封装的尺寸、频率、规格、IC本身等而不同。
最近，用便携式产品用的低驱动器驱动的IC越来越多。
虽然以低功耗化为主要目的，但是由于石英振子小型化，所以低驱动器对石英来说也更方便。
改版使用大水晶和通常的IC的基板时，如果直接挪用IC使水晶小型化，风险会变高。
使用小型水晶时，使用3μW typ等低驱动器的IC比较安全。
为了达到最佳驱动水平，还是用实物电路进行匹配为最佳。

频率偏差
电路评价报告书中频率偏差的含义与"石英振子单体的规格"不同
所谓“频率偏差”，一般来说，作为晶体振子的规格项目，是指25℃时的频率偏差情况。
但是，“电路评估中的频率偏差”这一术语的含义不同，需要注意。
简而言之，“电路评价中的频率偏差”也可以说是“电路(基板)与所搭载的石英振子的频率的基准的偏差”。
如果"电路负载电容"和"晶体振子的负载电容"不同，则会发生频率偏移……这就是评价报告书中的"频率偏差"
“负载容量”这个术语有两种使用方法。
“电路的负载电容”和“晶体振子的负载电容”。
如果在基板上搭载负载容量与“电路的负载容量”不同的水晶，则会发生频率偏移。
因此，即使水晶制造商制作并交货水晶振子单体的频率偏差为0ppm的产品，在基板上也会引起频率偏差。
电路评价报告书中的“频率偏差”就是这一偏差，这是难以理解的要点之一。
生产线上的“负载容量”
用户指示“电路的负载容量”为8pF时，水晶制造商按照“水晶振子的负载容量=8pF”在生产线上制造水晶。
具体来说，在频率调整工序中，在石英上串联8pF的电容，一边振荡器振荡一边制作成规定的频率。
其示意图如图4所示。
这里，如果“电路的负载容量”不是8pF的话，即使水晶制造商将“水晶的负载容量”设为8pF制作了0ppm的产品，也会发生频率偏移。
或者，如果用户以8pF测量频率的基准和水晶制造商的基准有偏差，仍然会发生频率偏移。 这其中的偏差被称为“电路评价报告书中的频率偏差”。
“频率偏差”故障实例
作为实例，说明某用户在不进行电路匹配的情况下，使用3225贴片晶振、25MHz、负载容量8pF、频率常温偏差规格±10ppm的振子进入批量生产，作为偏差不良而委托进行故障分析的事例。
对收到的实物电路进行了评价，结果如下。
●电路板上的频率偏差为+61ppm
●以8pF负载容量制造的晶体单体的频率偏差为-1.7ppm
这个水晶作为单体是良品。
电路评价报告书中的频率偏差是指，求出水晶单体的偏差值，以该值为基准，即0，表示基板(电路)上的频率偏差情况的值。
因此，无论振子单体的频率偏差是什么样的值，电路匹配中的频率偏差值都是相同的。
因此，在这次的情况下，由于在开发阶段没有进行电路匹配，原本基准就有偏差，在频率基准有偏差的状态下进入了批量生产。
来自用户的“电路的负载容量=8pF”的指示是否为合适的值，或者用户的8pF的标准与水晶制造商的标准是否一致，这一点尚不明确。
在这次的情况下，向用户说明了“即使水晶单体是频率偏差为-1.7ppm的合格品，但由于没有进行电路匹配，所以基准出现了偏差，因此发生了偏差不良的问题”，这一内容得到了用户的理解。
通过电路匹配进行
在电路匹配中，首先确认收到的现状，如果有需要改善的项目，则进行个别/具体的调整。
●首先，为了使负电阻极大化，调整电路上的外置电容器和阻尼电阻的值
电路匹配中首先进行的是“负电阻的极大化”。
IC具有驱动水晶的一定功率，其功率由电路上的外置电容器( c )和阻尼电阻( rD)的值进行调整。
C或rD通过改变的值使IC的功率，即负电阻(-R )达到最大，这是电路匹配的首要目标。

●接下来计算振荡裕度，使其达到5倍以上
振荡裕度由式(1)给出。
MOSC = | -R |RE ---------------------------- (1)
-R :负电阻[ω]
RE:负载时等效电阻[ω]
RE(负载时等效电阻)是指将水晶实际搭载在基板上时的电阻值，该值表示水晶单体的电阻值ESR(RS)来上载修改后的文件。
RE由式(2)给出。
RE= RS(1 + C0CL )2 ---------------------------- (2)
RS: ESR的标准值[ω]
CL:负载容量[F]
C0:并联容量[F]
水晶行业一般建议确保该振荡裕度为5倍以上。
就是“集成电路的功率是水晶电阻成分的5倍以上”。
这5倍是根据经验法则导出的数值，不是理论上计算出来的。

●计算驱动器级别
确认振荡裕度后，接下来对水晶施加的电力(驱动电平lD)来上载修改后的文件。
计算流经水晶的电流值I，先求出的rE与(负载时等效电阻)一起按式(3)计算。
LD= I2RE ---------------------------- (3)
●“频率偏差”的推算
最后，算出频率偏差(基板和水晶的基准偏差)。
测量/计算水晶单体的频率偏差和将该水晶实际搭载在基板上时的振荡频率，计算其误差，计算频率偏差。
电路匹配方法
九州电通进行匹配的方法被称为“电阻插入法”，本章简单说明步骤。
另外，在开始电路匹配之前，需要明确电路中搭载的晶体振子的测量数据。
那个项目如下。
(1)按指定负载容量测量的频率( fL）
(2) ESR的测量值和标准值
(3)并联电容c0的测定值
(4)负载容量
●计算负电阻(-R )

①将振子从电路中取下，如图5所示可变电阻rV与串联后连接电路
②RV调至最大，停止振荡
③RV逐渐降低，测量开始振荡阶段的电阻值
这个点是振荡的正功率和阻止振荡的负功率平衡的点。
RV从0开始慢慢提高也差不多。
④RE用式(2)求出(负载时等效电阻)
RE= RS(1 + C0CL )2 ---------------------------- (2)
其中，rS是上述(2)该样品的ESR测定值，c0是并联电容值，cL是负载容量值。
⑤用式(4)求出⑤-R (负电阻)
| -R | = RE+ RV ---------------------------- (4)
图示这些的话如图6所示。

●求出振荡裕度
①确认搭载的样品水晶的ESR标准值
②假设将规格值最大的水晶放入电路，用式(2)求出此时的电阻值
这个rE的值不是实测值，而是通过计算得出的数值。
③根据公式(1)求出振荡裕度
如果这个充裕度在5以上，就可以判断为大致良好。
振荡裕度是假设搭载了最大规格的ESR值水晶的计算上的数值(图7 )。
●计算驱动器级别
①如图8所示，用电流探针测量石英的电流值
②驱动器级lD用式(3)计算
驱动器级别通常优选为100μW左右，但低驱动器用的IC有时也为数μW。
●求出频率偏差
这里所说的“频率偏差”是指基板和水晶的基准的偏差。
与得到的样品水晶单体的频率偏差不同。
电路匹配中的频率偏差如下求出。
①搭载的水晶单体的频率fL确认(设为a )
②在图8中，将电流探针放在石英热端子上，求出基板上的石英的振荡频率(设为b )
③根据公式(5)求出频率偏差δf (将公称频率设为f0)。
Δf [ppm] =( b - a )f0 ---------------------------- (5)
也就是说这个值尽量接近0ppm比较好。
因为基板和水晶的基准偏差接近于零。
如果有偏差但功能方面没有问题的话，用户可以直接进入批量生产。

委托电路匹配时的注意事项
最近对电路匹配的要求增加了很多。 而且搭载的振子越来越小型化，安装密度非常高，在用于评价的准备工作和部件的更换等工作中花费了很多时间。 因此，评估往往需要很长时间，有时在作业中会发生电路图案烧毁、搭载部件本身破损等事故。
为了避免这样的事情发生，推进迅速的评价工作，委托评价时用户也需要考虑以下各项。
●事先确认水晶在基板上振荡
接收电路匹配用的基板最困扰的问题是，即使按照指示接通电源，水晶也不会振荡。 不进行振荡是无法进行任何评估的，所以请先让用户确认得到的样品在该基板上振荡，然后将基板发送给水晶制造商。
●明示电源接通方法(电压、场所)
即使接收电路并接通电源，资料中也可能没有明确记载在哪里以及如何接通。 请在资料中注明是多少伏，在哪里如何投入/连接。
如果可能的话，在30cm左右的长度上将红色线( VDD用)和黑色线( VSS、GND用)连接在基板上的话，就可以省去前期准备，迅速安装。
●振荡电路周围的电路图
不需要特别的电路板整体电路图，请将IC名称和振荡电路部分的电路图放大后发送。 其中请注明预先搭载的电容器和电阻的值。 因为为了推算出最佳的电路常数，有必要正确把握现状的常数。
●也可以不搭载晶体振荡器，装入袋中发送
九州电通采用的电阻插入法评估方法时，从基板上取下石英振子，与可变电阻RV串联，再次连接电路进行评估。
在最近高密度安装、超小型部件增加的复杂电路基板中，如果超小型的c、r部件更接近，即使取下水晶或CR部件也非常困难，在各种尝试的过程中有时会发生电路图案错误断裂或搭载部件破损的事故。
为了不发生那样的事故，有不将试料的振子搭载在基板上，而是放入塑料袋中发送的方法(有23个就放心了)。 由此，可以省去从基板上取下水晶的麻烦，防止事故发生。
不过，即使在这种情况下，如上所述，也要求用户事先确认在其他基板、其他水晶上进行振荡。
●紧急情况下委托分析时，同时订购样品和发送基板
如果是通常的话，流程是委托试作用的样品，用户搭载完成的样品，在确认振荡后，向水晶制造商发出电路匹配请求。 但是，有不得已的紧急情况，必须紧急委托的情况下，有节约时间的方法。
该方法是在订购样品的同时或立即将评估用基板发送给水晶制造商的方法。 这是一种在样品完成后，在工厂中将基板和水晶合并进行评价的做法。
虽然存在用户没有事先确认到振荡的风险，但是可以保存运输及其他时间。 在用户发生了某些故障的紧急情况下，九州电通采取了这样灵活的应对方式。