一、無源晶振特性分析

??無源晶振屬于被動器件，一般指的是石英晶體，是利用石英晶體的壓電效應，來產生高精度振蕩頻率的電子元件。
??無源晶振的關鍵參數如下圖所示。

??以上參數中，對LoRa通信有直接影響關系的如下所述。
??負載電容（Load Capacitance），直接影響晶振的振蕩頻率，LoRa模組研發設計的時候需要依據0ppm晶振樣品（也可選用已知確定某頻偏的晶振），通過焊接調試不同數值的電容來進行頻偏校準，最終確定合理的負載電容取值。特別說明，Semtech新出的LoRa芯片內部帶有可調負載電容，默認外接負載電容可以不用，但是建議還是做出預留。
??常溫頻偏（Frequency Tolerance），是指25℃下，所有出廠的晶振個體之間可能存在的最大差異范圍，該參數受限于晶振原材料晶片的切割角度，業內目前加工水平在±10ppm左右。如果有更高需求，可以要求晶振原廠供貨±3ppm@25℃以內的產品，購買成本會有所增加。
??溫漂頻偏（Frequency Stability），是指-40-85℃工作溫度范圍內，對單一一個晶振來說，相對于25℃時的頻偏變化范圍。特別說明，對同一型號的無源晶振來說-40-85℃范圍內，所有出廠的晶振頻偏變化趨勢都是一樣的，但是變化幅度卻不盡相同。一般認為，對于特定溫度下，所有晶振頻偏變化幅度之間最大差異（如下箭頭所指范圍）是7-10ppm。

??工作溫度（Operating Temperature），一般情況下，LoRa模組要求的可穩定工作溫度都是-40~85℃。特別注意，該溫度指的是環境溫度，實際使用時還要考慮PCB板級溫度是否比環境溫度有所升高。如果無源晶振所在的PCB板級溫度比環境溫度高，需要預留好散熱措施或者PCB晶振部分進行挖槽隔熱處理，如下圖。
??預留散熱和挖槽隔熱等措施，特別是在如含有外部PA等，發熱量大的LoRa產品上尤為重要。

??老化率（Aging），老化率是指無源晶振每年頻偏變化的幅度，無源晶振第一年的頻偏變化幅度一般都是±3ppm左右。該參數尤其對LoRa模組低帶寬（BW=62.5KHz及其以下）通信影響明顯。如果限定LoRa產品必須工作在低帶寬條件下，建議使用有源溫補晶振來消除年老化率的影響。
??靜態電容（Shunt Capacitance），是指無源晶振內部的寄生電容，典型值一般都能做到1pF以內，該電容和PCB上晶振外部焊接的兩個負載電容，以及PCB上晶振電路的寄生電容組合到一起，決定了該晶振的負載電容（Load Capacitance）。
??如下圖電路，可以明確C1，C2，CP，C0，CL之間的計算公式為：CL=（C1*C2）/（C1+C2）+ CP + C0
??特別說明：
??1.C1，C2盡量保證一樣，如果不一樣，差異一般要求不超過2pF左右
??2.CP代表PCB上晶振電路的寄生電容

??該公式也進一步解釋了，為什么模組類的產品研發測試階段需要校準頻偏，同時必須要保證研發樣品和批量生產的模塊在同一板廠加工，并且使用相同的加工工藝。主要目的是歸一化處理，同時需要保證生產一致性，避免可變因素在極端條件下造成模塊使用異常。

二、無源晶振在LoRa產品使用中遇到的問題

??目前，LoRa模組因使用無源晶振，需要重點關注的事項有以下2點：
??1、LoRa模組研發階段，需要對實際焊接的2個晶振負載電容取值進行調試，該過程稱為頻偏校準過程。
??設想一下，假設我們在每一個待焊接的無源晶振上都標記了其25℃下的標稱頻偏值，那么我們使用調試好的負載電容焊到PCB板上之后，用頻譜儀實際測試出的LoRa信號中心頻點的偏移量應該和該晶振的標稱頻偏量一樣才行。
??另外，頻偏校準過程還有一個目的是，保證不同型號的LoRa模組在低帶寬下（62.5KHz及其以下）都能正常通信。按照LoRa通信的要求，要保證兩個模組穩定通信，至少要滿足的極限條件是確保通信雙方的頻偏差異在BW/4以內（62.5KHz帶寬下，即要求小于15KHz，留有余量建議一般取10-12KHz）。
??那么，無源晶振的常溫頻偏是±10ppm，換算成頻率即為±5KHz@470MHz，也就是說我們選定了一款無源晶振用到某一個型號的LoRa模組上，在常溫25度下使用，已經達到了62.5KHz帶寬下通信的極限條件，更不用說高低溫環境的溫漂差異，老化率的影響，以及不同的LoRa模塊可能使用了不同型號的無源晶振等等這些情況。
??基于以上，才要求LoRa模塊使用無源晶振需要進行頻偏校準，同時建議盡量使用有源溫補晶振，除非使用LoRa模組通信的時候，限定必須使用高帶寬配置。
??2、無源晶振因為頻偏差異無法做到很小，同時還有明顯的溫漂現象，導致高溫環境下（一般以70℃左右為界限），以及模組存在高發熱量且散熱不好的情況下，容易出現低帶寬配置（62.5KHz及其以下）通信異常的問題。
??下面針對不同的模組高溫通信問題的分析過程作為舉例。
??下圖高溫85℃下，速率1測試結果，可以發現同樣存在工作一段時間收不到數據的情況（高溫下，頻繁不間斷，大數據量通信）。

??下圖為廠家一模組高溫75℃下，速率1發送數據和接收數據的情況，丟包率約為20.8%。


??下圖廠家二高溫75℃下，速率1發送數據和接收數據的情況，丟包率約為7.3%。


??廠家一高溫75℃下，發射模塊晶振位置的溫升情況。

??廠家二高溫75℃下，發射模塊晶振處的溫升和接收模塊晶振處的溫升情況。

三、無源晶振在LoRa產品設計中的注意事項

??基于以上分析，LoRa模組使用無源晶振，需要注意以下幾點：
??1.在研發階段，就必須對無源晶振使用的2個外部負載電容進行調試校準
??2.高發熱量的模組，必須在PCB上將晶振部分挖盡量大的空槽進行隔熱處理
??3.建議要求晶振原廠，提供±3ppm@25℃以內的無源晶振產品
??4.LoRa產品上預留足夠的散熱措施，避免溫升過大（最好控制在10℃以內）
??5.使用無源晶振，不建議使用低帶寬的配置（62.5KHz及其以下）進行通信
??6.如果必須使用低帶寬（62.5KHz及其以下）的配置進行通信，則需要減少單包發送數據量，并且預留足夠長的發送時間間隔，以預留充分的散熱時間
??通過本文分析可以發現，因為無源晶振本身生產工藝的原因，導致每個晶振的頻偏差異大，并且隨環境溫度漂移明顯，如果LoRa模組本身發熱量大，散熱又不好的情況下，那么很容易導致發射模塊和接收模塊在低帶寬通信時產生異常現象。
??對于以上問題，解決的思路也很明確，就是優化無源晶振的選型，盡量使用有源溫補晶振，或者PCB設計時，預留足夠的散熱和隔熱措施，盡量將影響減小。