關于板級設計的晶體準確度研究

作者簡介：張清媛（1993— ），女，內蒙古赤峰人，工程師，碩士；研究方向：電子產品的部件及系統可靠性。

摘要：電子產品設計階段，因晶體頻率不準確問題，會導致產品的研發周期不必要的延長，甚至會影響到成品的質量。文章主要研究的是在電子產品研發階段主板上晶體頻率準確度的優化方案，以晶體的實際應用電路為參考，分析了晶體的頻率偏差規律，構建了晶體頻率參數的測試系統。通過對測試數據的處理，分析了晶體外圍匹配電路的電容容值對晶體頻率的影響。同時，綜合考慮后提供了減小晶體頻率偏差的原則，也就是外圍匹配電路上電容容值的選擇方法。

關鍵詞：主板；晶體；電容

中圖分類號：TN606? 文獻標志碼：A

0? 引言

晶體作為一種基礎電子元器件，具備為電路提供穩定時鐘信號以及無線載波信號的特性，廣泛應用于電子信息產業中，市場規模也一直處于穩定狀態。但近年來，隨著智能AI、無線系統和汽車電子等應用場景需求的提升，對物聯網的技術要求也是越來越高，連接設備的數量也隨之快速增長。對于不可或缺的晶體來說，有了更高精確度和更高穩定度的要求［1］，電子產品研發階段的晶體準確度更是關鍵，為此設計了一套測試系統來測量晶體頻率的準確度。

1? 晶體的關鍵參數

電子產品中常用的晶體是石英晶體諧振器，特有壓電效應，機械能和電能之間的相互轉換，等效RC振蕩電路，如圖1所示。其中，C1為動態電容；L1為動態電感；R1為動態電阻；C0為靜態電容。電路中晶體的符號標識如圖2所示。

在電子產品主板電路上最常用的電路之一是Pierce電路，如圖3所示。

其中，Cg和Cd均是電路中匹配電容，Rf是連接芯片端的反饋電阻，Rd是用于輸出端起限流作用的電阻［2］。

1.1? 頻偏

頻偏是指晶體的標稱頻率較實際頻率的偏差，是非常關鍵的參數，象征著時鐘信號的準確度，偏差超出可承受的范圍會使得時鐘信號不準確，進而導致芯片無法正常工作，公式如下所示。

Δf=（f標-f測）×106f標

其中，f標為晶體振蕩器的標稱頻率，f測為晶體振蕩器的實測頻率，Δf為頻偏值，單位是ppm。

1.2? 負載電容

負載電容是決定晶體頻率的重要參數，用CL表示。晶體元件datasheet中CL是一個測試參數，也是一個應用參數，這個值可在用戶使用時根據具體電路情況作適當調整，來微調晶體的實際工作頻率。CL和實際應用電路中焊接的電容息息相關［2］，具體有如下關系：

CL=Cg×CdCg+Cd+C0+Cs

其中，CL為負載電容，Cs為雜散電容，Cg和Cd如圖3所示。

2? 板級晶體測試方法

2.1? 測試設備

晶體在電路上被通電后，會產生有規律的振動并輸出信號，即有頻率產生，典型的晶體波形如圖4所示。

2.1.1? 示波器

晶體在電子產品的應用電路中輸出的頻率是否正確，波形是否完整，使用TEKTRONIX或其他示波器進行測試。

2.1.2? 頻率計

電子產品中使用的晶體一般頻率都較高，除RTC是32.768 kHz，其余均為MHz級別，對于頻偏參數，精度需精確到1 Hz，故需使用高精度Agilent頻率計測試。頻率計也被稱為頻率計數器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器，該設備測量精確度可達0.001 Hz。

2.1.3? 有源探針和無源探針

儀器測試搭配使用的探針是必需的，應用的探針包含兩種，示波器上應用的是有源探針，頻率計上應用的是無源探針。

2.2? 測試方法

2.2.1? 示波器截取波形

定位到電子產品的主板上待測晶體，將電子產品通電，使用有源探針點測晶體管腳，測試晶體的頻率，抓取波形，并分析正確性。

2.2.2? 頻率計測試頻率

（1）電子設備需要在通電狀態下測試.

（2）將無源探針接地端接在測量晶體附近任一地電位，另一端點測到晶體的管腳位置。

（3）點擊run按鍵，等待頻率計顯示數據穩定后，點擊stop/single按鍵暫停，讀取數據并記錄即可。

3? 晶體準確度優化方案

3.1? 時間偏差大

時間偏差較大，以年為單位漂移。電腦上有時間顯示功能，即便是關機，內部的時間也不會錯亂，下次開機后時間顯示仍是準確的，原因是電腦主板上有一顆電池，它的主要功能就是為電腦內部時鐘供電，以及保存設置好的主板BIOS信息。若時間偏差較大，大概率是主板電池的電量被耗盡，導致時間等內部信息恢復到出廠的設置，可通過更換電池來解決［3］。

3.2? 時間偏差小

3.2.1? 溫度漂移影響

電子產品出現時間逐漸變快或變慢現象，可能出現了溫漂。為了解決溫度偏差帶來的影響，系統應根據實際需求選擇精度更高的溫補晶振，如NTC晶體（帶有熱敏電阻的晶體）。溫補晶振是通過感應環境溫度，然后將溫度信息轉換成可控制量，在線補償后控制晶振的輸出頻率［4］。

3.2.2? 電容不匹配影響

主板上外接電容不匹配，導致晶體振蕩器頻偏超出主板對晶體的要求，spec要求頻偏小于30 ppm，實測的25 MHz晶體在電路中頻率比標稱頻率小，實測的48 MHz晶體在電路中頻率比標稱頻率小。

優化的方案是通過更換外圍電路上的匹配電容，因電容尺寸影響，結合實際可操作性，固定Cg的容值不變化，調整Cd的容值，根據多次更換并測試，匯總如表1—2所示數據，分別為25 MHz和48 MHz晶體［5］。

25 MHz和48 MHz晶體的頻率偏移值與不同電容容值的趨勢如圖5所示。

通過示波器抓取了晶體的實際波形，如圖6所示。

從以上圖中數據對比分析后發現，當頻率出現負向偏移，也就是實測頻率小于標稱頻率時，可將電路中匹配的電容之一，更換為同尺寸且容值偏小一些的，晶體振蕩器頻偏會符合要求。

4? 結語

綜上所述，本文從晶體的基本原理到關鍵參數都進行了分析，從實際測試的角度深入分析了晶體的應用，搭建了準確實用的測試系統。基于逆向分析發現，通過調整晶體外圍匹配電路的電容容值可改善晶體頻率。這種簡單實用的方式，能夠縮短工程師分析的時間，提高測試的效率，為業界同類問題的測試提供參考。

參考文獻

［1］薛超.晶體振蕩器頻率老化特性及頻率老化標準要求分析［J］.中國標準化，2020（S1）：153-157.

［2］王濤.具有掉電應急處理能力的RTC設計［D］.成都：電子科技大學，2022.

［3］應用達人.花錢裝機性能不好？［N］.電腦報，2021-08-02（6）.

［4］李二鵬，文開章，馮保紅，等.石英晶體振蕩器頻率特性的測量與分析［J］.測控技術，2010（1）：81-83.

［5］林海，周強.石英晶體諧振器的負載電容參數選擇原則研究［J］.電子制作，2018（8）：25-26，53.

（編輯? 沈? 強）

Research on crystal accuracy of mainboard design

Zhang? Qingyuan

（Lenovo（Beijing）Co.， Ltd.， Beijing 100089， China）

Abstract：? In the design stage of electronic products， the issue of inaccurate crystal frequency can lead to unnecessary extension of the product development cycle， and even affect the quality of the finished product. The main research of this article is on optimizing the accuracy of crystal frequency on the motherboard during the development stage of electronic products. Taking our actual application circuit of crystals as a reference， the frequency deviation law of crystals is analyzed， and a testing system for crystal frequency parameters is constructed. By processing the test data， the influence of the capacitance value of the crystal peripheral matching circuit on the crystal frequency was analyzed. At the same time， after comprehensive consideration， the principle of reducing crystal frequency deviation is also provided， which is the method of selecting the capacitance value of the capacitor on the peripheral matching circuit.

Key words： mainboard; crystal; capacitance