资深电气工程师分享探测晶体测振荡器输出的实用指南

介绍

电气工程师经常使用示波器，从检查简单的低速数字信号到精确的波形和抖动测量。他们需要使用探头直接访问PCB上的任意信号。但是，探头可能会对信号施加额外负载或使示波器上显示的波形失真。因此，应该仔细进行探测。

本应用笔记提供了有效探测振荡器输出的实用指南，显示了常见错误，并解释了如何识别和避免潜在的探测问题。

关于ILSI MMD评估委员会的探讨

评估板是测试石英晶体振荡器性能的绝佳工具。它们经过精心设计，测试并具有用于探测的专用测试点。然而，由于探测或测量技术不当，评估结果可能不准确。

图2.1显示了焊接到ILSI MMD评估板上的8208 10 MHz MEMS振荡器的波形测量结果。使用1.5 GHz带宽和<1 pF电容有源探头的理想测量结果与使用10MΩ输入阻抗的测量结果进行比较，16 pF电容无源探头使用两个接地连接选项。使用无源探头测量的上升时间大于使用有源探头测量的上升时间。图2.1还显示无源探头的地线会引起振铃，过冲和下冲，并进一步增加上升时间。

有源探头解决了无源探头遇到的许多问题。有源探头具有高带宽，通常具有低于1 pF的输入电容。高级接地附件专为有源探头设计，有助于最大限度地减小接地回路的尺寸。而且，由于有源探头的输入电容通常远低于无源探头的输入电容，因此对于相同的接地环路尺寸，它显示出较小的谐振。

图2.1：评估板上的探测：泰克DPO7104 1 GHz示波器使用有源探头，无源探头带接地回路，无源探头无接地回路

在系统探测

调试和性能验证是石英晶体，贴片晶振设计中的常见阶段。它们涉及测量系统中的各种信号并需要精确的示波器测量，因此应密切关注探测技术。

探针对被测信号的影响

每个探头都用作连接到测试点的外部电路。它有自己的输入电容和电阻，因此会给电路带来额外的负载。因此，重要的是要考虑有源和无源探头对被测信号的影响。

有源探头

有源探头通常带宽高，输入电容低，是探测时钟信号的首选。有源探头的输入电容范围为0.3 pF至8 pF。典型有源振荡器，有源晶振的额定输出负载为15 pF，因此建议选择输入电容为1 pF或更小的有源探头。

根据探头型号的不同，有源探头的输入电阻在30kΩ至10MΩ之间变化。ILSI MMD振荡器的输出阻抗明显较低，因此探测电阻范围可用于测量输出波形。然而，当探测高阻抗源时，输入电阻可能是一个重要因素。

被动探针

具有100至300MHz带宽和10至17pF输入电容的无源探针是最常见的。这种探针对振荡器输出施加过大的负荷。例如，如果振荡器输出的系统负载为12 pF，则使用具有12 pF输入电容的无源探头会使负载加倍。24 pF的新负载超过15 pF振荡器额定负载。使用这种探头测量的输出参数，尤其是上升时间可能不符合数据表规范。图3.1说明了16 pF无源探头如何影响振荡器输出信号。

最流行的无源探头类型具有数据表中规定的1MΩ或10MΩ输入电阻。这些无源探头仅用于1MΩ示波器输入，并且为探头指定的电阻已经考虑了1MΩ示波器终端。这意味着10MΩ探头的电阻为9MΩ，如图2.1所示。当连接到1MΩ示波器输入时，环路的全部电阻为10MΩ，产生的分压比为10：1。

如果将10MΩ探头连接到50Ω示波器输入，示波器上将不会显示任何信号。50Ω示波器终端和9MΩ探头电阻构成一个分压器，可将示波器放大器的输入衰减到超出可测量的极限。

长导线和接地引线电感

找到靠近测量点的接地点可能很困难，因此有时会使用长导线连接到最方便的接地端子。这会产生一个大的接地回路，在快速信号边沿后会引起振铃和过冲或下冲，如第2节所述。图3.2使用无源探头来说明地线长度对波形测量的影响。使用较低输入电容探头可降低共振。图3.3说明与1-pF有源探头一起使用的相同长度的地线对波形的影响要小得多。

图3.2：地线长度对无源探头波形测量的影响。在快速信号边沿后，较长的接地线会增加振铃。示波器：Tektronix DPO7104。无源探头：10MΩ模式下的Tektronix P2220连接到1MΩ输入。

在高温和低温测试期间，工程师发现使用延长线连接探头很方便。这种方法有几个缺点，包括来自相邻电路的噪声拾取（见1.3节），以及环路的大自激，导致带宽减小，振铃，过冲或下冲。移动导线时，环路的面积会发生变化，这会改变波形的形状。图3.4显示了使用带有两个不同导线位置的22英寸导线捕获的波形，显示出明显的过冲和下冲。如果信号频率接近线/探针共振频率，则波形可能显示为正弦波，其幅度超过电源轨。

图3.3：使用1 pF有源探头对地线长度影响波形测量。低电容有源探头对接地线长度不太敏感。示波器：Tektronix DPO7104。有源探头：Tektronix TAP1500。

使用传输线结构可以最小化导线的自感，例如图3.5中所示的双绞线。这种手工制造的传输线的阻抗很难预测，并且可能沿着线变化，导致阻抗不匹配。穿过传输线的信号从阻抗变化的每个点反射，包括探头连接点。反射与信号叠加，从而使测量的波形失真。为减少反射，信号和地之间的50Ω电阻可用作探头到导线连接点的负载端接（图3.6）。与DUT输出串联的另一个20Ω电阻可用于更好的源阻抗匹配和输出电流降低。

图3.6：使用22英寸双绞线和10MΩ模式的Tektronix P2220无源探头连接到1MΩTektronixDPO7104示波器输入，探测待测10 MHz信号。用于减少反射的源和负载终止技术。

另一种可能的解决方案是使用直接连接到50Ω仪器输入的50Ω同轴电缆。应在SMD晶振，振荡器输出附近放置一个串联终端电阻，以实现阻抗匹配。它还提供了与振荡器输出驱动器的同轴电缆电容的一些隔离。对于2.5,2.8,3.0或3.3 V电源电压，标准ILSI MMD单端振荡器的典型输出阻抗约为20至30Ω，对于1.8 V振荡器，典型输出阻抗为25至35Ω。因此，建议使用一个值为20到30Ω的串联终端电阻，如图3.7所示。源阻抗和负载终端形成一个分压器比。振荡器的输出阻抗取决于输出驱动器属性，也可能随外部条件（如温度）而变化。因此，分压比不精确，这种方法不应用于电压测量。它更适合使用示波器，频率计（如图3.8所示）或任何其他仪器进行频率测试。无论选择何种仪器，仪器侧都需要外部或内置50Ω端接。另请注意，此方法会在振荡器输出上施加额外的70Ω电阻负载。

可以与同轴电缆一起使用的另一种探测方案如图3.9所示。它具有更高的输入阻抗，分频比约为21：1，并通过1kΩ电阻将振荡器输出与同轴电缆隔离。由于示波器终端电阻非常精确且振荡器输出阻抗相当低，因此分频比的准确度主要取决于1kΩ电阻。这种方法的缺点是衰减系数高，这对示波器输入放大器提出了额外的要求。

良好探测实践的例子

示波器垂直放大器的推荐增益是尽可能拉伸输入信号的增益，只要它仍然适合屏幕。这确保了示波器ADC的最大分辨率用于波形转换，因此量化噪声最小化。示波器的自动设置功能通常为波形捕获选择最佳垂直分辨率。图3.10显示了75 MHz振荡器输出的良好探测示例。

图3.10：探测示例。信号源：ILSI MMD评估板上的75MHz 8208 MEMS振荡器。示波器：Agilent DSA90604A（6GHz）。有源探头：Agilent 1134A（7GHz），带有E2675A差分浏览器探头。

由于其工作温度范围相当窄，因此无法将有源探头放入温度室。例如，Agilent 1169A有源探头的工作温度为5到40°C。带有延长电缆的典型设置如图3.11所示。如果没有这些附件，则可以使用同轴电缆进行某些测量，例如频率测试，如3.2节所述。图3.12显示了使用同轴电缆的典型测量配置。

噪音提升

探头接地回路从应用板上的各种源拾取噪声。这种耦合噪声出现在波形上，好像它一直存在于被测信号上。如果噪声来自与振荡器同步的源，则很难将其与本机信号噪声分离。

图3.13显示了噪声耦合到探头接地回路的机制。沿着电路板上的迹线行进的开关电流信号形成具有接地返回电流的回路。它通过两个回路的互感耦合到探针接地回路。耦合噪声的幅度取决于干扰电流变化的速率和环路之间的互感。互感与环路面积成正比，与环路之间的距离立方成反比。为尽量减少噪声拾取，建议尽量缩小探头接地环路的面积。

探索提示

如上所述，建议使用有源探头探测振荡器输出。然而，无源探针在某些情况下是有用的。

推荐使用无源探头：

• 调试低速数字电路
• 低带宽模拟电路
• 低速，高阻抗源
• 探测直流电源

建议使用有源探头：

• 探测高速串行接口
• 时钟波形测量
• 探测高频数字电路

常见错误

探头的带宽和输入电容不合适

图4.1显示了使用Tektronix P2220无源探头切换到“1X”模式捕获的75 MHz波形。在此模式下，P2220探头的输入电容为95 pF，带宽仅为6 MHz。图6.1中的波形未达到完全摆动并且上升时间较慢。

图4.1：在Tektronix DPO7104示波器上以“1X”模式使用Tektronix P2220无源探头捕获的75MHz振荡器输出

用于探测的长导线

图4.2显示了使用22英寸电线和10MΩ无源探头捕获的75MHz振荡器输出波形。长导线的环路自感导致谐振和带宽减小。

信号路径上长度超过材料中有效上升沿长度六分之一的任何导线或PCB走线都被视为具有分布参数的传输线，需要阻抗匹配。对于上升时间为1ns的信号，此阈值约为1英寸。因此，当非端接传输线或长导线连接到10MΩ无源探头时，会产生明显的反射。通过图4.2所示线路传输的信号从探头的高阻抗输入反射，由于没有适当的源端接，反射波到达源并反射回来。

存根连接到被测信号

连接到被测信号的任何长短截线都会引起反射。图4.3显示了使用6GHz有源探头在评估板上捕获的波形，但是4ft同轴电缆连接到信号走线。50Ω同轴电缆的另一端是浮动的，因此阻抗不匹配会导致反射。

图4.3：带有有源探头的评估板上捕获的波形，而非端接同轴电缆连接到振荡器输出。示波器：Agilent DSA90604A（6 GHz）;有源探头：带有E2675A差分浏览器探头的Agilent 1134A（7 GHz）。

示波器采样率太低

不正确的采样率选择可能会导致示波器屏幕上出现意外波形，因此可能会误认为是探测问题。图4.5显示了使用两个采样率（25Msps和50Msps）捕获的75MHz信号，这两个采样率均低于一次谐波（150 MHz）的奈奎斯特频率。当尝试捕获信号的相当大的时间帧时，最常遇到这种情况，导致示波器由于有限的存储器而自动降低采样率。混叠出现在欠采样信号中，这使得高频分量看起来像低频分量。利用这种低采样率，捕获的波形都不像75MHz有源晶振。示波器上显示的波形可能看起来像一个非常低频的信号，或者波形中可能出现间隙。

图4.5：使用低于奈奎斯特频率的采样率，使用Agilent DSA90604A示波器捕获的75 MHz被测信号。