翔光：MCU的无源晶振匹配测试介绍

10/29/2021，翔光的部分产品中要用到MCU及晶振，为了使产品运行稳定可靠，他们在产品开发阶段对重要元件的参数要做详细验证，晶振作为电路的核心元件，做参数匹配验证是必不可少的。晶体振荡器俗称晶振，晶振电路用于产生时间频率基准，为微控制器系统(MCU)提供精准的时基。在实际应用中，如果晶振电路负载参数匹配不当，一方面，可能会造成晶振电路工作频率出现偏差，进而造成计时不准，通信不能同步；另一方面，在睡眠唤醒时，电路扰动较小，可能会导致晶振电路起振困难。因此，合理匹配晶振电路负载参数具有十分重要的意义和实际应用价值。晶振分为无源晶振和有源晶振。无源晶振即晶体需要借助于外围电路驱动才能产生振荡时钟信号，自身无法起振；有源晶振内置有振荡电路，只需要提供合适的直流电源，即可输出稳定频率。无源晶振匹配测试从以下几个方面对晶振的参数做验证及匹配测试：

一、实际频率是否在标称频率附近是否符合预期
   以我司产品USB 3.2 Gen2  type A to type C上20MHz的无源晶振测试为例,看实测波形。测试方法：示波器探头接至晶振1脚或3脚， 探头鳄鱼夹接地 探头拨至X1档。 实测频率在19.96~20.04MHz之间，符合预期频率。


                
二、晶振是否被过份驱动，工作功率是否小于驱动功率（DL测试）
    驱动功率即晶体起振所需的功率。若驱动功率太小不足以驱动晶振会导致晶振不起振；若驱动功率过大则会导致输出频率偏移。测试方法：测得流过晶振的电流，进而可以算出工作功率，验证工作功率是否小于驱动功率。                 
                  DL＝I^2•Re（W）
上式中，I表示通过晶体的电流，Re=R1 (1+C0/CL )^2；                   
R1为动态电阻也称等效串联电阻；C0为静态电容也称等效并联电容，CL为负载电容，以上参数规格书中都会列出。

三、负性阻抗是否符合预期值
   负性阻抗是振荡线路在振荡频率时的阻抗特性,又叫负载谐振电阻。振荡IC的负性阻抗（-R）至少为晶振阻抗（也称等效电阻ESR或内阻R1）的5倍以上即绝对值|-R|>5R。负性阻抗测试步骤：
（1）如意示图所示：串联可调电阻R到晶振的输出端（out）；
（2）调整可调电阻R值使晶振由起振至停止振荡；
（3）当电路由起振至停止振荡时测R值；
（4）得到负性阻抗|-R|=R+R1验证│-R│是否大于     5 *R1。



四、外部电容是否与负载电容CL 相匹配
   负载电容在生产环节已经根据需求通过加工工艺锁定,无法更改,在应用中当外部的匹配电容等于负载电容时无源晶振输出的频率最准确。
  即当CL=Cg//Cd+Cs=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)+Cs 时晶振输出的频率最准确。
 Cs为电路板的等效杂散电容,由于电路板、封装PCB走线不同这个容量有所不同按照经验通常取Cs为2～5pF。


   
   从下左图晶振的规格书可知，晶振内阻为100欧姆，驱动功率为100uW,负载电容为8pF, 右图为2-4项测试结果， 负性阻抗932Ω＞5*100Ω，工作功率96.28uW小于100uW，均符合匹配要求，外部电容两个8pF串联后为4pF,杂散电容取4pF，两者两加等于8pF，刚好等于晶振的负载电容，符合匹配要求。
 
 
五、频率温度特性
   所有石英晶体做成的电子频率元器件，均有温漂的特点。在热冲击（快速加温或降温）的情况下，晶振频率会发生频率漂移，严重时会导致晶振直接不起振。下图为的测试结果，横坐标为温度，纵坐标为频率相对于25℃的偏差(ppm），可见频率变化在正负5ppm,符合预期。


         
   翔光一直致力于DP、HDMI、USB TYPE C等消费类音视频传输线及通信光模块的研发，为客户提供不同需求的定制设计方案。目前已研发出DP1.4 全光有源光缆。我司还生产无源器件(WDM、CWDM、DWDM、FWDM)及机械光开关、固定光衰减器、光纤跳线等无源器件，同时大力发展光模块，有无源光模块（CWDM、DWDM、OADM)、光电结合模块(CATV EDFA，SDH EDFA)等。400G光模块不久即将推出，在技术最前沿引领光通讯行业的发展。