晶振没坏但不起振 PCB板上的晶体不起振为啥？

 

“PCB板上的晶体不起振，可能是什么原因？”。这个问题比较常规，笔试题中标的概率比较高，实际使用时也可能会碰到这类问题。如何回答，10秒时间自己先思考下。

(-R) 是什么？

要回答这个问题，我觉得有必要先搞清楚什么是晶体的负性阻抗。

负性阻抗，英文：Negative Resistance；简写：-R；单位：Ω。在网上搜了下，找到如下描述。

负性阻抗是指从石英晶体共振子的二个端子往振荡线路看过去，所得到振荡线路在振荡频率时的阻抗特性值。-- 源自网络

还有一种解释，是从Murata网站看到的。

负性阻抗是指用阻抗表示的振荡电路的信号放大能力。--村 田

这两个定义，看起来都比较偏学术，不太通俗。我个人倾向于Murata的解释。大家知道大概意思就行了，不必纠结，重点是下面的内容。

(-R) 能做什么？

上面的定义，你可以不理解不清楚，但是下面这个你必须搞清楚弄明白。

敲黑板，这才是重点！！！

负性阻抗(-R)用于表征振荡裕量，即从振荡到振荡停止的裕量。

负性阻抗(-R)不是晶体的内部参数， 而是PCB电路的实测值，是晶体在PCB线路设计时的一个重要参数，可用于判断晶体振荡电路的稳定性。

如果在PCB上测出来的负性阻抗偏小，则表示该晶体振荡器的线路设计起振裕量不足，设计不合理。

(-R) 测量方法及步骤

说完负性阻抗(-R)的作用，再说下它的测量方法。

上图为负性阻抗测试的示意图。图中，Xtal是晶体，Rf是负反馈电阻，Rd是限流电阻，CL1/CL2是外部匹配电容，Vr是可调电阻。

负性阻抗|-R|的测试步骤：

①将可调电阻Vr与晶体串联接入回路，如上图。正常情况下，晶体振荡电路是不需要Vr的。Vr是我们为了测试|-R|，刻意添加进去的。

②调节可变电阻Vr，使回路起振或停振。当回路刚停振时，测试Vr的阻值；

③通过公式|-R|=RL+Vr，计算得到负性阻抗值。

特别说明：RL是晶体加负载电容的谐振阻抗，不是ESR。网上看有些文章，直接写|-R|=ESR+Vr，这是不对的，不要被误导。

(-R) 阻值定量分析

根据上面的测量，此时已经得出负性阻抗(-R)的阻值。

既然负性阻抗(-R)偏小表示晶体起振裕量不足，那(-R)阻值多少才算是一个合理值呢？

现在我们从定性分析已经进阶到定量分析，继续往下看。

至少是规格书标称ESR的5倍，才合适！阻值越大，振荡裕量越高，说明振荡越稳定。

实际案例

上面讲的一大堆，都是理论知识。如果仅仅这样就结束本篇文章，那太不符合“硬件微讲堂”贴近实战的秉性，更体现不出来专业性。

上图是某品牌的晶体匹配测试报告中负性阻抗(-R)和振荡裕量计算部分。

可以看出：可调电阻R实测值为769Ω，RL为10Ω，则负性阻抗|-R|=779Ω。而该晶体标称的ESR(max)=60Ω，则振荡裕量(倍率)=|-R|/ESR=12.98倍，大于要求的5倍，满足起振要求。

晶体不起振的原因…

再回到文章开头提到的面试题“PCB板上的晶体不起振，可能是什么原因？”，负性阻抗偏小，振荡裕量不够，就是一个可能性比较大的原因。但这并不是唯一的原因，还有其他原因么？

当然有，其他原因有哪些，欢迎你在留言区补充。

晶体不起振，如何调整？

这也是一个不错的问题，我说2种方法：

方法①：减小外部匹配电容CL1/CL2，以增大负性阻抗；

方法②：更换标称值ESR更小的晶体，以增大振荡裕量；

欢迎你在留言区补充调整措施。

总结

聊到这里，今天要说的也差不多了，总结下今天聊的内容：

①(-R)是指用阻抗表示的振荡电路的信号放大能力；

②(-R)用于表征振荡裕量，即从振荡到振荡停止的裕量；

③(-R)不是晶体的内部参数， 而是PCB电路的实测值；

④(-R)可用于判断晶体振荡电路的稳定性；

⑤(-R)的测试环境示意图和测试步骤；

⑥(-R)的计算公式：|-R|=RL+Vr，特别说明RL不是ESR；

⑦(-R)的定量分析：至少是规格书标称ESR的5倍，才合适！

⑧晶体不起振的原因：可能的原因之一是负性阻抗偏小，振荡裕量不够。

审核编辑：刘清