石英晶体（晶振）好坏测试电路模拟

fix2010

老早之前，俺自己照葫芦画瓢制作了一个无源晶振（石英晶体）好坏的测试工具，非常好用。LED灯亮说明起振，晶振没问题。
不是前几天迷上了falstad电路模拟小程序么，就又依葫芦画瓢，想模拟一下这样的电路。
没想到的是，模拟与实际还是有差别的，刚开始怎么看电路都不像是在运行，后来把示波器电流、电压进行了放大；步进改小；仿真速度加快；电流流动速度加快，总算看到了些眉目。

晶振测试电路模拟图

大家如果有兴趣可以点这里看到实际的运行效果。


关于晶振的等效电路相关解说，可以看看这里的文章，很好理解。这款模拟Applet中晶振的参数选择竟然要自己对等效参数进行设定，而并不是直接给个固有频率。因此，学习一下这些内容是有帮助的。

晶振等效电路

SIMON1016

要不要仿一下  電容(探棒1:1  1:10   +示波器)  加入時的差異

fix2010

SIMON1016 發表於 2023-8-19 09:12 PM
要不要仿一下  電容(探棒1:1  1:10   +示波器)  加入時的差異

回simon大，俺发现仿真器测试点的交流电压、电流都很小，不像实物用示波器测同样的点却电压幅值很高。因此有点怪怪的，好像电路没起振一样。
您说的x1,x10模拟是指啥？在模拟器里，示波器都是理想化的，因此它的输入阻抗可以说是无穷大的，或者说介入检测点后应该不影响电路运行。现实中，电路如果用低阻抗的测试仪很可能让电路停振。所以您说的这个俺没转过弯来，请指教。

SIMON1016

fix2010 發表於 2023-8-19 09:51 PM
回simon大，俺发现仿真器测试点的交流电压、电流都很小，不像实物用示波器测同样的点却电压幅值很高。因 ...

仿真模拟器  常常遇上理想與現實不合  
基本技巧就是  將這類負載效應 以等效零件額外加入

這例子具體作法 就是將  10PF 100PF  分別掛在 測試點
這只是說 觀察量測時儀器的負載效應

其他例如 電晶體 場效電晶體  雜散電容 跨在輸入輸出間  導致米勒效應(這詞 請自行翻查網路解說)
都是這樣  以等效零件額外加入  觀察比較影響

有時 我們還會用  額外信號源充當雜訊源  額外加入 觀察驗證電路穩定情形

fix2010

SIMON1016 發表於 2023-8-19 10:45 PM
仿真模拟器  常常遇上理想與現實不合  
基本技巧就是  將這類負載效應 以等效零件額外加入

谢谢Simon大的指点。俺特地去找了“Miller effect”的解说，明白您所说的意思了。
只是在用那个模拟小程序做该效应的模拟时，可能其使用的都是理想元件，而且模拟速度有局限，没看到MoFET Vgs的Miller Platform。俺故意在MosFET的D→G、G→S间加入外围电容，也没模拟出理想的结果。也可能俺的参数设置有问题。
否则的话，可以很直观地展现上述效应。

完蛋惹……想知道的越来越多啊！

SIMON1016

fix2010 發表於 2023-8-20 10:04 AM
谢谢Simon大的指点。俺特地去找了“Miller effect”的解说，明白您所说的意思了。
只是在用那个模拟小 ...

先不說 米勒效應的模擬 是我扯遠

回歸來談  模擬 示波器探棒 等校電容 對震盪電路的負載效應

這常出現在現實情境中  當示波器探棒加入  有時震盪電路反而不工作  或是  頻率發生偏移
還有原先電路不震盪 加入示波器探棒  反而工作了


米勒效應...模擬不出來   
先了解 米勒效應  在電路中的角色   當輸入輸出反相  它就是反相放大器的 負迴授電容
課堂說的這個負迴授電容  影響頻寬  抑制高頻
模擬時  信號頻率  頻寬往極限外看  (頻寬限制高頻諧波 ==> 脈衝前延上升斜率)

dcstudio

那個電路實際做出來後, 32.768kHz是測不到的...


牛前幾天, 才用CD4060做了另一個電路測32.768kHz..
自製晶振測試器: http://dcstudio.homeip.net:8080/WordPress/?p=1603

duke83

現在的 32.768kHz 石英振盪器配合 CMOS 閘是很容易起振的，產業用量大產品成熟又便宜。

只要注意兩件事就很容易達成任務。
一、負載電容的容量大小，現代常見的 32.768kHz 石英振盪器兩端對地的外部電容量最佳的數值都約在 10pF 左右，詳細請看石英振盪器的規格書。
隨便從網拍賣家抓個圖來看看，此包裝袋上頭除了注明溫度係數是 5ppm 外前面還標示 12.5pF，這就是此廠家推薦此石英振盪器最佳的負載電容量。


二、負載效應，既然石英振盪器對負載電容很敏感那就不要增加額外的負擔包含示波器的探棒或同軸電纜。
要測量波型或頻率請外加一級緩衝放大器不要直接測量振盪器內部，許多 IC 的內部振盪器都有增加一級 Buffer 這裡就是正確的測量點。

例如 CD4060 振盪頻率的測試點就是第 9 腳，10 或 11 腳都不對。

fix2010

SIMON1016 發表於 2023-8-20 11:07 AM
先不說 米勒效應的模擬 是我扯遠

回歸來談  模擬 示波器探棒 等校電容 對震盪電路的負載效應

嗯，再次感谢Simon大！
的确是这样。俺自己制作的晶振测试仪在接市电稳压电源时，在测试时更容易受到干扰而停振；换到充电宝供电就没那么敏感——特别是在测试10MHz以上的晶振。
顺带俺斗胆乱搭了个电路，放大了几个参数，尝试模拟Miller Effect，看图中G极的波形，在Cdg//Cgs共同作用下，的确有一段平台。也不知这算不算？从Id变化来看，又不像。因为模拟中Id的突升明显是Cdg反向充电电流的补进。
上电瞬间，Cdg//Cgs被充电；按钮按下后，正脉冲作用于G极，Cgs电压逐步上升，到MosFET Vth，Cdg被反向充电，致使Vg上升变缓慢，就有了PlatForm。

米勒效应模拟

小弟不才，胡言乱语，不要见笑。
电路模拟小程序俺放这里了，请您观看指点。

fix2010

dcstudio 發表於 2023-8-20 02:56 PM
那個電路實際做出來後, 32.768kHz是測不到的...

嗯，非常棒！
牛大的电路俺抽空也玩玩看，顺便消耗一些闲置多年的器件。

SIMON1016

fix2010 發表於 2023-8-20 09:58 PM
嗯，再次感谢Simon大！
的确是这样。俺自己制作的晶振测试仪在接市电稳压电源时，在测试时更容易受到干扰 ...

對!! Vgs 上升  曲線 中會有一平階 是轉態時 D電壓降下 Cdg 反抽取Cgs   ... Cdg放完了 Vgs 繼續上升

這就是 MOSFET datasheet 裡  這張圖


如果看真實電路 Vgs 波形 會在前沿爬升時 看到這個中段平階

各MOSFET製造商   無不以此 Total Gate Charge  為努力目標   其與 Ciss (Cgs Cdg) 是一體兩面 關係
愈小 表示 轉態速度愈快  減少發熱

這是MOSFET元件  技術指標

而電路技巧 就是 GATE極  驅動電流加大  硬去填補Cgs 上被Cdg 反抽走的能量
所以 早期CRT時期的電路  因為當時MOSFET 電容大
PWM IC 驅動電流不夠力  會增加2N3904/2N3906 以減少MOS 轉態時的熱損失

這也是 這類IC  通常會將 驅動電流 特別列在 規格書第一頁 Features/Description
標榜 High current totempole output for driving a Power MOSFET

到當今 溝槽式閘極(Trench Gate ) 技術MOS出現 使電容大幅減低
前述Push Pull 就被省了  用PWM IC直推MOSFET  

而維修上 當新式溝槽式閘極MOS 故障  找替換物時
就不能只用電壓/電流/Rds來看  還須搭上 電容參數  

fix2010

SIMON1016 發表於 2023-8-20 11:57 PM
對!! Vgs 上升  曲線 中會有一平階 是轉態時 D電壓降下 Cdg 反抽取Cgs   ... Cdg放完了 Vgs 繼續上升

這 ...

是啊，之前使用MosFET 根本不会去注意这些参数。就像您说的那样，新技术让以前明显的应用缺陷变得不明显了，比如发热这种直观的问题。当然，在极端应用中，这一点又会凸显，必须注意。
Simon大，真的很高兴与您讨论电学知识，俺学到了很多，感恩。

阿明先生

我也來湊個熱鬧講一些，做類比電路的研究，就不能忽略這些参数細節，學習不能只靠模擬軟體，實際製作你會發現，類比電路比想像的難度更高，實際製造跟純理論的線路是有差距，比如一個多級的高功率放大電路，線路設計為了降低失真，會從放大器的輸出端，接回授訊號到前端負回授，因為MOSFET的汲極及閘極有電容(Cds) ，每級放大對高頻訊號會有相移，負回授因為各級放大高頻相移高頻變正回授，讓放大器高頻寄生振盪，你要想辦法修正回授相移的相位，讓它穩定不會高頻振盪燒音響喇叭(高頻振盪有時候耳朵聽不到)

輸入及輸出有諧振電路的射頻放大電路，假如輸入及輸出兩諧振電路，諧振在同一頻率，它是一個射頻放大電路，把輸入端諧振電路頻率調高，讓放大輸入端帶電感性，輸出訊號經過米勒電容及輸入端的電感兩次相移，米勒電容回授訊號會變成正回授，它就會變成米勒振盪器，同樣的線路有可能是射頻放大，也有可能是米勒振盪器，這射頻放大電路，假如不希望它調整諧振頻率時，產生寄生振盪，要從輸出諧振的線圈抽頭，接一個跟米勒電容訊號反向的訊號，抵銷米勒電容回授，變化一個不振盪的純放大電路，也就是射頻放大電路的中和電容，下面的圖米勒振盪器，是靠米勒電容回授振盪，不只是這些，MOSFET高功率功率放大，輸入端接一條訊號推動導線到閘極，導線太長類似電感，也有可能引起米勒寄生振盪

fix2010

阿明先生 發表於 2023-8-21 11:47 AM
我也來湊個熱鬧講一些，做類比電路的研究，就不能忽略這些参数細節，學習不能只靠模擬軟體，實際製作你會發 ...

阿明先生拓展地更深入，俺的脑核明显是不够用啦！
看得出来，这里几位前辈都是从事电子业的技术大拿。认识你们真好！