如何测量石英晶体的驱动电平

了解为什么石英晶体振荡器的驱动电平很重要，以及如何测量它的几种方法。

驱动电平是指晶体中耗散的功率量。 晶体具有机械振动。 较高的驱动电平会将振动幅度增加到不可接受的水平，并造成不良影响。 为了限制这些振动，晶体中的功耗不应超过制造商指定的值。

典型驱动电平值在100 μW范围内。 使用较小的表面贴装晶体，额定驱动电平可以更小（约10 μW）。

在本文中，我们将介绍可用于测量晶体功率电平的测试设置和相关方程。

驱动器级别依赖关系

增加驱动电平会导致晶体的运动阻力和频率增加。 这种效应通常称为驱动器级依赖关系 （DLD），如图 1 所示。

***图1. *晶体运动阻力和频率与驱动电平的关系。 图片由 瑞萨电子.

极低的驱动电平也会使晶体的串联电阻增加到使振荡器无法启动的值。 由于这种效应，给定的晶体有时会成功启动，有时会失败。

这些晶体有时被称为“沉睡晶体”。 有趣的是，一段时间不活跃的晶体也可能表现出远高于额定值的大串联电阻。 这也可能导致晶体偶尔无法启动。 可能导致这种影响的不活动期可能是数小时到数周，具体取决于晶体质量。

超速驾驶会造成严重损坏

超过规定的驱动电平可能会导致一些不良影响。 它会缩短器件寿命，引起振荡频率波动，并降低稳定性。 图2显示了超过最大驱动电平如何改变晶体的频率与温度响应。

***图2. *超过最大驱动电平对晶体频率和温度响应的影响。 图片由 拉创.

在本例中，额定功率为10 μW的晶体在500 μW时过驱动。 我们观察到的温度响应不稳定，而不是平滑的频率与温度曲线。 在明显更高的功率水平下（例如，在额定值的10倍时），过驱动会对晶体造成不可逆转的损坏。

使用电流探头测量驱动电平

由于不能直接测量晶体驱动电平，因此我们需要测量电路量，例如电压或电流，并使用晶体电模型来近似其功率电平。 这等效电路晶体如图3所示。

图3. 晶体的等效电路。 图片由意法半导体

我们只需要找到该网络在谐振时的有效电阻，并测量晶体电流即可计算驱动电平。 这负载电容 C 时的晶体等效串联电阻 （ESR）L 由以下人员给出：

驱动器级别可通过以下方式获得：

等式 1

我在哪里Q， RMS 表示流过晶体的均方根电流。 如图4所示，电流探头可用于测量晶体电流。

***图4. ***使用电流探头测量晶体电流

晶体电流通常是正弦或锯齿形的。 图6显示了一个电流波形近似正弦的示例。

图6. 流过晶体的电流。 图片由 爱普生.

对于正弦波形，我们可以应用以下公式从峰峰值（I Q， p-p ):

对于锯齿波形，RMS值由下式给出：

根据波形类型，应使用这两个公式之一从峰峰值中找到RMS值。 然后，我们可以代入公式1中的RMS电流并计算驱动电平。

插入串联电阻以测量晶体电流

如果没有电流探头，我们可以暂时放置一个小电阻与晶体串联，并使用差分探头测量电阻两端的电压。

有了电阻值和压降，我们可以找到晶体电流。 如图 7 所示。

***图7. *表示用于查找晶体电流的设置。 图片由美信集成.

为了确保电阻足够小并且不会产生明显的测量误差，请Maxim集成应用笔记建议我们稍微增加电阻值，并验证检测的电流几乎没有变化。 在本例中，电阻值从10 Ω更改为20 Ω。

通过测量放大器输入电压找到驱动电平

在这种情况下，放大器输入端的RMS电压（V 在，RMS ） 通过低电容示波器探头（小于 1 pF）测量。

***图8. ****使用示波器探头测量 *放大器输入端的均方根电压

有V 在，RMS ，我们可以计算流过C的电流L2 如：

为了更准确地说，我们还可以包括寄生效应和替代CL2 与 C总 给出如下：

其中 C流浪和 C探针分别是杂散电容和探头电容。流入放大器输入端的电流远小于流过该总电容的电流。因此，我们可以假设流过晶体的总电流等于流过C的电流 总 .这为我们提供了以下驱动级别：

假设放大器输入端的电压波形是正弦的，我们可以使用

并将驱动器级别计算为：

通过测量晶体电压找到驱动电平

为了彻底起见，我想提一下有时用于计算驱动电平的另一个方程。 该方法基于测量晶体两端的电压。

我们知道，在共振时，晶体模型中运动分支阻抗的大小（L 的串联组合 m ， Cm和 R m ） 等于 C 并联组合的阻抗大小L 和 C 0 .因此，我们可以通过以下方式近似流经运动臂的RMS电流：

其中 V水晶，有效值 表示在晶体两端测得的均方根电压。 驱动器级别可通过以下方式找到：

假设晶体电压是峰值为V 的正弦波形 p ，我们可以代入 V~水晶，有效值 ~跟 在p√2在p2 并获得以下等式：

这 CC26xx 和 CC13xx 系列无线 MCUTI 提供返回晶体振荡电压幅度（以 mV 为单位）的功能。 有了振荡幅度，我们可以很容易地应用上述公式，并在操作过程中找到晶体驱动电平。 如果超过额定驱动水平，我们需要重新检查我们的设计，以避免任何晶体可靠性问题。