为什么PCB板上的晶体不起振，如何调整？

硬件笔记本

照例，先抛出来一道面试题：“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。
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3 p* o& f$ [2 I1 L( H: Z(-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。

4 a7 x6 W1 D  _- Q7 {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。
# b8 y% S+ \3 i7 u! M8 f2 i' r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。
% p" `& [; X: G1 U* P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
+ h" q6 y; g9 C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。

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* N1 B+ |6 S* ^2 H' ]+ F1 h" N# m8 N(-R) 能做什么？
, n+ d( [. c' t! v5 s4 T5 p! C+ A$ S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！！！
$ v! y- C! D. X) h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。
$ L. k6 |+ r6 |2 e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。
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(-R) 测量方法及步骤
7 t/ @! ^! d* J7 q说完负性阻抗(-R)的作用，再说下它的测量方法。

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9 i1 I+ {1 a5 K' a/ j: v" u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。
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% d1 H+ n, W- x7 K3 K! z$ Z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；
, ~4 j% E/ O" n+ T3 a③通过公式|-R|=RL+Vr，计算得到负性阻抗值。
) [4 b% h( i0 a) Y' J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。

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( D& J( q1 |0 U" C) L1 L(-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？
6 }* G* \* U5 N现在我们从定性分析已经进阶到定量分析，继续往下看。
" C$ F5 X% `/ W4 _& e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。
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6 H  i! j/ n4 o5 ^- F" \" b3 y实际案例
  E# L* @/ L7 T* f0 y. N, P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。

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5 O, I3 N. d& Z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。
. B9 S1 W4 Y" @. a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。
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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？
7 [* X$ e  W% p当然有，其他原因有哪些，欢迎你在留言区补充。
: K; k$ U# L) d( Z( H, ^

晶体不起振，如何调整？
. J6 K& ]$ H2 z" @3 R4 U; x: h这也是一个不错的问题，我说2种方法：
0 N5 W+ \2 `# e" c! _/ j& L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；
3 b4 |/ x7 P9 i. t6 ]& _: F# y欢迎你在留言区补充调整措施。

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, m* I  v' s2 m+ R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；
( K- V2 ^( P; m' {) y②(-R)用于表征振荡裕量，即从振荡到振荡停止的裕量；
2 {  Q8 y8 K1 m③(-R)不是晶体的内部参数， 而是PCB电路的实测值；
2 }1 n1 Y& L  I* w  q④(-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；
4 ?" v0 W& [$ D! k7 f6 _4 v! o⑦(-R)的定量分析：至少是规格书标称ESR的5倍，才合适！
7 X5 ^2 H# `& K9 g( C& k⑧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。

附加题：
⑨晶体不起振的原因，除了负性阻抗偏小，其他还有哪些原因？
( C  I9 t" [1 I# ^⑩晶体不起振，如何调整？欢迎留言交流。