偏差公式 【经验】晶体匹配设计过程中需要关注的三大参数

无源晶振，绝大部分工程师都非常熟悉。应用时就是在晶体两边接两个负载电容即可。可能大部分系统都没什么问题，因此工程师也就不再深究它。但在一些要求很高的系统或者产品应用出现晶体设计问题时，我们应该怎样来检验我们的晶振电路是否设计完全符合要求呢。

下面根据笔者的经验，与大家分享晶体匹配设计的一些思路。本文以京瓷（KYOCERA）汽车级高性能晶体CX3225SB为例介绍。

晶体匹配设计过程中，主要需要关注3个参数：频率偏差、起振裕量、激励等级。

1、频率偏差

频率偏差这个好理解，就是实际输出的频率与标称频率之间的误差，该值都会在晶体的数据手册上标出，例如京瓷CX3225SB系列手册上标出频率偏差为15ppm。

图1：晶体的负载电容与频率偏差的关系

负载容量 (CL) 是用来决定在振荡电路中晶振频率的参数， 如图1所示为某一款晶体的负载电容与频率偏差的关系。CL在晶振的数据手册上都有标出，如京瓷CX3225SB系列为8pF。需要注意的是，晶体元件的负载电容并不是指外部接的两个电容，而是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容，包含寄生电容等。很多文档中都有列出CL的一个复杂的计算公式，不太接地气。个人推荐按数据手册上的CL先焊上去，然后再用频谱仪直接测试晶体的频率，看是否符合正常的偏差范围之内，如果误差较大，再调整CL的大小。

2、起振裕量（Oscilltion Margin）

为了使石英晶振在振荡电路中可以稳定地发生振荡的一个参数。具体表示为：电路的负性电阻与晶振的等效串联电阻的比值：|-R|/RL (其中-R= RL + Re)，必须具有足够大的裕量(振荡宽限要大)。如IEC标准要求该值大于3，QIAJ标准要求该值大于5，而一些汽车应用要求该值大于10保证晶体可靠振荡。偏差公式

图2：负性阻抗测试

由上面的公式看出，需要得出RL与Re，RL为晶体等效串联电阻ESR，该值在晶体的手册上有标出。偏差公式Re是需要实际测出。如图2所示，将晶体串联连接上纯电阻 Rx，缓慢地使 Rx值逐渐变大，直到晶体停止振荡时的最大电阻 Rx 即为Re 。如果计算出来的M太小，则需要减少负载电容CL(增大Re)，重复频率偏差测量。

3、激励等级（Drive level）

激励等级指的就是晶体消耗的功率。该值会在晶体的数据手册上标出，例如京瓷CX3225SB系列手册上标出激励等级为10uW(100uW Max)。如果利用过大的功率来使晶体工作，有可能产生频率不稳定，产生的波形中出现尖峰等，以及导致石英芯片破损的危险。因此在电路设计时，需要确认一下所使用的激励等级不超过规格书上标出最大激励等级。

图3：激励等级测试

激励等级测试如图3所示。通过电流探头测得流过晶体的电流，算出消耗的功率。如果该功率超过规格书的上标出的范围，则可以通过增加串联电阻Rd来减少晶体的功耗，如图4所示。

图4：降低激励等级的电路