本文討論如何檢查振蕩器電路，以確保其具有足夠的“負電阻”或“振蕩余量”。

為了使晶體啟動并維持振蕩，振蕩器的有源網(wǎng)絡應提供足夠大的負電阻以補償晶體損耗。

振蕩器的負電阻模型

這 等效電路晶體如圖1所示。

圖1. 晶體的等效電路。圖片由 意法半導體

運動阻力（R m ） 使電路有損并耗散功率。為了使晶體開始并保持振蕩，我們需要一個有源網(wǎng)絡來補償晶體損耗。有源網(wǎng)絡采用正反饋概念產(chǎn)生負電阻（R N ），以抵消晶體在振蕩頻率下的等效串聯(lián)電阻（ESR）。使用負電阻概念，我們可以對無處不在的皮爾斯-門振蕩器進行建模，如圖2所示。

圖2.

在諧振時，晶體充當有效電感（L 有效 ） 與等效電阻 （ESR） 串聯(lián)。放大器及其相關元件可以通過負電阻（R N ） 與有效電容器 （C ） 串聯(lián) 有效 ).在振蕩過程中，有源網(wǎng)絡的負電阻等于晶體的ESR，電抗部分相互抵消。因此，振蕩標準是：

雖然 |R N |等于穩(wěn)態(tài)時的ESR，有源網(wǎng)絡在啟動時應表現(xiàn)出大于ESR的負電阻。這一要求源于這樣一個事實，即有源網(wǎng)絡的負電阻是振蕩幅度的函數(shù)。啟動時，信號幅度很小，并且 |R N |比較大。隨著信號幅度的增加，振蕩器的負電阻減小。最后，在穩(wěn)定狀態(tài)下，|R N |等于 ESR。因此，為了使晶體開始振蕩，|R N |應大于 ESR。一般的經(jīng)驗法則是 |R N |應該比晶體 ESR 大約 5 倍：

等式 1.

計算振蕩器的負電阻

我們可以使用圖3所示的簡化原理圖。對皮爾斯-門振蕩器進行建模。

圖3.

在此圖中，我們假設晶體管是模擬總跨導（g m ）的放大器（在皮爾斯-蓋振蕩器的實際實現(xiàn)中，NMOS和PMOS晶體管的放大器）。為了計算晶體“看到”的阻抗，我們可以用測試電壓源代替晶體，并找到該電源兩端的電壓與其電流的比率。這晶體看到的阻抗將是：

其中f表示測試電壓源的頻率。第一項是阻抗的虛部，它應該抵消晶體的電抗，第二項給了我們有源網(wǎng)絡的負電阻：

等式 2.

如上所述， |R N |在穩(wěn)態(tài)下等于晶體ESR。因此，ESR決定了振蕩器啟動和維持振蕩所需的跨導。

請注意，RN 與放大器的跨導（g m ），與負載電容值成反比（CL1 和 C L2 ).因此，對于給定的 RN 和 g m ，C 有上限L1 和 C L2 .C的下限L1 和 CL2 通常由晶體制造商指定。

尋找更準確的方法

等式 2. 允許我們粗略估計給定負電阻值所需的 g m 。它還讓我們深入了解網(wǎng)絡的負電阻如何隨 g m和負載電容變化。然而，該等式基于一個簡化模型，未考慮電路寄生效應，例如放大器的輸出電阻、MCU 引腳的電容和 PCB 走線的雜散電容。為了更準確地估計負電阻，一些芯片制造商給出了負電阻與負載電容的關系圖。這種方法至少考慮到了芯片內部電路的非理想效應。

圖4顯示了 TI 的 DP83xxx 以太網(wǎng) PHY 振蕩器電路.

*圖4. 圖片由 鈦]

在此示例中，RN 給出了兩種不同溫度（125 °C 和 85 °C）下負載電容范圍的值。水平線根據(jù)上述5倍裕量指定了某些典型ESR值所需的最小負電阻（公式1）。

雖然該圖可以更準確地估計負電阻，但它不能考慮所有寄生效應（例如PCB走線的雜散電容）。此外，此類繪圖可能不適用于我們的預期設備。檢查振蕩余量的更準確方法是基于我們應用板的測量數(shù)據(jù)，這將在下面討論。

測量振蕩器負電阻

為了測量振蕩器的負電阻，我們可以添加一個與晶體單元串聯(lián)的電阻，并逐漸增加該電阻的值，直到振蕩器無法啟動。如圖 5 所示。

圖5.

如果 Rx 是防止振蕩發(fā)生的電阻值，振蕩器的負電阻大約等于：

哪里 ESR，即晶體在負載共振時的等效電阻，由下式給出：

增加的電阻（Rx） 可以是適用于 RF（射頻）的 SMD

器件或電位器。在要求苛刻的應用中，我們可能必須使用0201電阻，以盡量減少寄生效應對我們測量的影響。執(zhí)行此測試時，建議測量放大器輸出端的振蕩幅度（圖5中的OSC_OUT）。與放大器輸入（OSC_IN）相比，該節(jié)點表現(xiàn)出較低的阻抗，因此對探頭的負載效應不太敏感。我們還應該使用低電容探頭（例如FET有源探頭），以盡量減少探頭負載效應。

值得一提的是，隨著溫度的升高，負電阻會降低。這就是為什么我們需要在工作溫度范圍的上限和下限進行上述測試，以確保電路在所有溫度下提供足夠的負電阻。除了溫度之外，我們可能還需要根據(jù)應用要求檢查電源電壓變化對振蕩可靠性的影響。

如果您處于設計階段怎么辦？

上述方法可用于確保給定的電路板提供足夠的振蕩裕量。但是，它并沒有為我們提供設計階段所需的信息，例如m

的放大器。應用說明”確定MCU振蕩器啟動參數(shù)“，描述了我們如何使用圖7中描述的測試。求振蕩器放大器的跨導。

圖7. 圖片由 恩智浦。

上面的測試，以及另一個略有不同的測量，給了我們gm 和 gDS

放大器的參數(shù)。這些信息可用于確保我們的設計在原型可用之前具有足夠的振蕩裕量。欲了解更多信息，請參閱 應用說明 我上面提到過。