晶振定義

石英晶體振蕩器，石英諧振器簡(jiǎn)稱(chēng)為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。

這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。

利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線(xiàn)圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。

 

 

晶振分類(lèi)

按大類(lèi)分為以下4種

1、簡(jiǎn)單晶體振蕩器(XO)

這是最基本的類(lèi)型，其穩(wěn)定度完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 在MHz范圍內(nèi)的較高頻率晶體由石英棒制成，其制造方式是即使環(huán)境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化，也可提供相對(duì)穩(wěn)定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)切割的石英晶體也可實(shí)現(xiàn)±25ppm的穩(wěn)定度。與諸如隨溫度變化可達(dá)1%(10,000ppm)或更高的LC振蕩電路等其它被動(dòng)諧振器相較，晶體振蕩器的性能已大幅提升了。但對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，即使25ppm也不夠好，因此必須采用額外措施。

2、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)

如果固有頻率與石英晶體的溫度穩(wěn)定度無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用要求，就可以采用溫度補(bǔ)償單元。TCXO使用溫度感測(cè)元件以及產(chǎn)生電壓曲線(xiàn)的電路，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，該電壓曲線(xiàn)與晶體的頻率變化趨勢(shì)完全相反，所以可理想地抵消晶體的漂移。根據(jù)TCXO的類(lèi)型和溫度范圍，TCXO的典型穩(wěn)定度規(guī)范范圍為小于±0.5ppm至±5ppm。

3、恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)

對(duì)于某些應(yīng)用，TCXO的頻率-溫度穩(wěn)定度指標(biāo)仍無(wú)法滿(mǎn)足要求。在這些情況下，可能需要OCXO。顧名思義，具有烤腔的振蕩器將晶體加熱到更高溫度，但仍受控制，使得環(huán)境溫度即使變化大，晶體的溫度也保持穩(wěn)定。由于晶體的溫度和振蕩器的敏感部份變化很小，頻率-環(huán)境溫度穩(wěn)定度得到顯著改善。在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，OCXO的穩(wěn)定度可以達(dá)到0.001ppm。然而，這種穩(wěn)定度的提升是以增加功耗為代價(jià)的，將熱量提供給烤腔當(dāng)然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率以維持內(nèi)部溫度。在開(kāi)機(jī)后，還需要等待溫度和頻率穩(wěn)定的暖機(jī)時(shí)間，取決于晶體振蕩器的類(lèi)型，暖機(jī)時(shí)長(zhǎng)通常從1分鐘到10多分鐘。

4、壓控晶體振蕩器(VCXO)

在一些應(yīng)用中，期望能夠調(diào)諧或調(diào)整振蕩器的頻率，以便將其鎖相到鎖相環(huán)(PLL)中的參考，或可能用于調(diào)節(jié)波形。VCXO透過(guò)電子頻率控制(EFC)電壓輸入，提供了這項(xiàng)功能。對(duì)于某些專(zhuān)用元件，VCXO的調(diào)諧范圍規(guī)格可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。

  

 

 

晶振選型5要素

1、輸出頻率

任何振蕩器最基本的屬性都是它生成的頻率。根據(jù)定義，振蕩器是接受輸入電壓(通常為直流電壓)并在某一頻率下產(chǎn)生重復(fù)交流輸出的器件。所需的頻率由系統(tǒng)類(lèi)型和如何使用該振蕩器所決定。

一些應(yīng)用需要kHz范圍內(nèi)的低頻晶體。一個(gè)常見(jiàn)的例子是32.768 kHz手(鐘)表晶體。 但是大多數(shù)當(dāng)前的應(yīng)用需要更高頻率的晶體，范圍從小于10MHz到大于100MHz。

2、頻率穩(wěn)定性和溫度范圍

所需的頻率穩(wěn)定性由系統(tǒng)要求確定。振蕩器的穩(wěn)定性可簡(jiǎn)單地表述為：由于某些原因引起的頻率變化除以中心頻率。（即：穩(wěn)定性=頻率變化÷中心頻率）

3、輸入電壓和功率

任何類(lèi)型的晶振通常都可以被設(shè)計(jì)為利用系統(tǒng)中已有的DC輸入電源電壓來(lái)操作。 在數(shù)字系統(tǒng)中，通常希望使用與振蕩器將驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)晶振，以便邏輯電平是直接兼容的。+3.3V或+5V是這些數(shù)字單元的典型輸入。具有較高功率輸出的其它器件可以使用較高電壓，例如+12V或+15V。另一個(gè)考慮因素是為器件供電所需的電流量。XO或TCXO可能只需要幾mA，因此在低電壓系統(tǒng)中，其功耗可以小于0.01W。另一方面，在上電時(shí)，一些OCXO可以需要5W或6W。

4、輸出波形

然后要選擇輸出波形以匹配振蕩器將在系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。最常見(jiàn)的輸出之一是CMOS——以驅(qū)動(dòng)邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和系統(tǒng)的Vdd軌之間擺動(dòng)的方波。對(duì)于高于約100MHz的較高頻率，通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個(gè)180°異相的輸出、具有快速上升和下降時(shí)間以及非常小的抖動(dòng)。最通用的類(lèi)型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用于驅(qū)動(dòng)RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件，則通常會(huì)指定某個(gè)功率級(jí)別的正弦波輸出。產(chǎn)生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之間，盡管如果需要可以輸出更高功率。

5、封裝尺寸和外形

基于振蕩器類(lèi)型和規(guī)格，對(duì)晶振封裝的要求將大相徑庭。簡(jiǎn)單的時(shí)鐘振蕩器和一些TCXO可以裝在小到1.2×2.5mm2的封裝中；而一些OCXO可以大到50×50mm2，對(duì)某些特定設(shè)計(jì)，甚至可更大。雖然一些通孔封裝如雙列直插式4或14引腳類(lèi)型仍然用于較大的部件(如OCXO或?qū)Ｓ肨CXO)，但大多數(shù)當(dāng)前設(shè)計(jì)使用表貼封裝。這些表貼配置可以是密封的陶瓷封裝，或基于FR-4的、具有用于I/O的建構(gòu)的組件。

6、總結(jié)

器件選型時(shí)一般都要留出一些余量，以保證產(chǎn)品的可靠性。選用較高檔的器件可以進(jìn)一步降低失效概率，帶來(lái)潛在的效益，這一點(diǎn)在比較產(chǎn)品價(jià)格的時(shí)候也要考慮到。要使振蕩器的“整體性能”趨于平衡、合理，這就需要權(quán)衡諸如穩(wěn)定度、工作溫度范圍、晶體老化效應(yīng)、相位噪聲、成本等多方面因素，這里的成本不僅僅包含器件的價(jià)格，而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。

晶振不振10問(wèn)題

1、 物料參數(shù)選型錯(cuò)誤導(dǎo)致晶振不起振

例如：某MCU需要匹配6PF的32.768KHz，結(jié)果選用12.5PF的，導(dǎo)致不起振。

解決辦法：更換符合要求的規(guī)格型號(hào)。必要時(shí)請(qǐng)與MCU原廠(chǎng)確認(rèn)。

2、 內(nèi)部水晶片破裂或損壞導(dǎo)致不起振

例如：運(yùn)輸過(guò)程中損壞、或者使用過(guò)程中跌落、撞擊等因素造成晶振內(nèi)部水晶片損壞，從而導(dǎo)致晶振不起振。

解決辦法：更換好的晶振。平時(shí)需要注意的是：運(yùn)輸過(guò)程中要用泡沫包厚一些，避免中途損壞;制程過(guò)程中避免跌落、重壓、撞擊等，一旦有以上情況發(fā)生禁止再使用。

3、 振蕩電路不匹配導(dǎo)致晶振不起振

影響振蕩電路的三個(gè)指標(biāo)：頻率誤差、負(fù)性阻抗、激勵(lì)電平。

（1）頻率誤差太大，導(dǎo)致實(shí)際頻率偏移標(biāo)稱(chēng)頻率從而引起晶振不起振。

解決辦法：選擇合適的PPM值的產(chǎn)品。

（2）負(fù)性阻抗過(guò)大太小都會(huì)導(dǎo)致晶振不起振。

解決辦法：負(fù)性阻抗過(guò)大，可以將晶振外接電容Cd和Cg的值調(diào)大來(lái)降低負(fù)性阻抗;負(fù)性阻抗太小，則可以將晶振外接電容Cd和Cg的值調(diào)小來(lái)增大負(fù)性阻抗。一般而言，負(fù)性阻抗值應(yīng)滿(mǎn)足不少于晶振標(biāo)稱(chēng)最大阻抗3-5倍。

（3）激勵(lì)電平過(guò)大或者過(guò)小也將會(huì)導(dǎo)致晶振不起振

解決辦法：通過(guò)調(diào)整電路中的Rd的大小來(lái)調(diào)節(jié)振蕩電路對(duì)晶振輸出的激勵(lì)電平。一般而言，激勵(lì)電平越小越好，處理功耗低之外，還跟振蕩電路的穩(wěn)定性和晶振的使用壽命有關(guān)。

4、 晶振內(nèi)部水晶片上附有雜質(zhì)或者塵埃等也會(huì)導(dǎo)致晶振不起振

例如：晶振的制程之一是水晶片鍍電極，即在水晶片上鍍上一次層金或者銀電極，這要求在萬(wàn)級(jí)無(wú)塵車(chē)間作業(yè)完成。

如果空氣中的塵埃顆粒附在電極上，或者有金渣銀渣殘留在電極上，則也會(huì)導(dǎo)致晶振不起振。

解決辦法：更換新的晶振。在選擇晶振供應(yīng)商的時(shí)候需要對(duì)廠(chǎng)商的設(shè)備、車(chē)間環(huán)境、工藝及制程能力予以考量，這關(guān)系到產(chǎn)品的品質(zhì)問(wèn)題。

5、 晶振出現(xiàn)漏氣導(dǎo)致不起振

例如：晶振在制程過(guò)程中要求將內(nèi)部抽真空后充滿(mǎn)氮?dú)?，如果出現(xiàn)壓封不良，導(dǎo)致晶振氣密性不好出現(xiàn)漏氣;或者晶振在焊接過(guò)程中因?yàn)榧裟_等過(guò)程中產(chǎn)品的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致晶振出現(xiàn)氣密性不良;均會(huì)導(dǎo)致晶振出現(xiàn)不起振的現(xiàn)象。

解決辦法：更換好的晶振。在制程和焊接過(guò)程中一定要規(guī)范作業(yè)，避免誤操作導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。

6、 焊接時(shí)溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致晶振內(nèi)部電性能指標(biāo)出現(xiàn)異常而引起晶振不起振

例如:以32.768KHz直插型為例，要求使用178°C熔點(diǎn)的焊錫，晶振內(nèi)部的溫度超過(guò)150°C，會(huì)引起晶振特性的惡化或者不起振。焊接引腳時(shí)，280°C下5秒以?xún)?nèi)或者260°C以下10秒以?xún)?nèi)。

不要在引腳的根部直接焊接，這樣也會(huì)導(dǎo)致晶振特性的惡化或者不起振。

解決辦法：焊接制程過(guò)程中一定要規(guī)范操作，對(duì)焊接時(shí)間和溫度的設(shè)定要符合晶振的要求。如有疑問(wèn)可與我們聯(lián)系確認(rèn)。

7、 儲(chǔ)存環(huán)境不當(dāng)導(dǎo)致晶振電性能惡化而引起不起振

例如：在高溫或者低溫或者高濕度等條件下長(zhǎng)時(shí)間使用或者保存，會(huì)引起晶振的電性能惡化，可能導(dǎo)致不起振。

解決辦法：盡可能在常溫常濕的條件下使用、保存，避免晶振或者電路板受潮。

8、 MCU質(zhì)量問(wèn)題、軟件問(wèn)題等導(dǎo)致晶振不起振

例如：目前市場(chǎng)上面MCU散新貨、翻新貨、拆機(jī)貨、貼牌貨等魚(yú)龍混雜，如果沒(méi)有一定的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)或者選擇正規(guī)的供貨商，則極易買(mǎi)到非正品。

這樣電路容易出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致振蕩電路不能工作。

另外即便是正品MCU，如果燒錄程序出現(xiàn)問(wèn)題，也可能導(dǎo)致晶振不能起振。

9、 EMC問(wèn)題導(dǎo)致晶振不起振

例如：一般而言，金屬封裝的制品在抗電磁干擾上優(yōu)于陶瓷封裝制品，如果電路上EMC較大，則盡量選用金屬封裝制品。

另外晶振下面不要走信號(hào)線(xiàn)，避免帶來(lái)干擾。

10、其他......

 

 

晶振不良7端倪

1、頻率偏移超出正常值

原:1：當(dāng)電路中心頻率正偏時(shí)，說(shuō)明CL偏小。

解決辦法：可以增加晶振外接電容Cd和Cg的值。

原因2：當(dāng)電路中心頻率負(fù)偏時(shí)，說(shuō)明CL偏大。

解決辦法：可以減少晶振外接電容Cd和Cg的值。

2、晶振在工作中出現(xiàn)發(fā)燙，逐漸出現(xiàn)停振現(xiàn)象

原因：排除工作環(huán)境溫度對(duì)其的影響，最可能出現(xiàn)的情況是激勵(lì)電平過(guò)大。

解決辦法：將激勵(lì)電平DL降低，可增加Rd來(lái)調(diào)節(jié)DL。

3、晶振在工作逐漸出現(xiàn)停振現(xiàn)象，用手碰觸或者用電烙鐵加熱晶振引腳又開(kāi)始工作。

原因：出現(xiàn)這種情況是因?yàn)檎袷庪娐分械呢?fù)性阻抗值太小。

解決辦法：需要調(diào)整晶振外接電容Cd和Cg的值來(lái)達(dá)到滿(mǎn)足振蕩電路的回路增益。

4、晶振虛焊或者引腳、焊盤(pán)不吃錫

原因：出現(xiàn)這種情況一般來(lái)說(shuō)引腳出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，或者引腳鍍層脫落導(dǎo)致。

解決辦法：晶振的儲(chǔ)存環(huán)境相當(dāng)重要，常溫、常濕下保存，避免受潮。另外晶振引腳鍍層脫落，可能跟晶振廠(chǎng)商或者SMT廠(chǎng)商的制程工藝有關(guān)，需要進(jìn)一步確認(rèn)。

5、同一個(gè)產(chǎn)品試用兩家不同晶振廠(chǎng)商的產(chǎn)品，結(jié)果不一樣

原因：出現(xiàn)這種情況很好理解，不同廠(chǎng)商的材料、制程工藝等都不一樣，會(huì)導(dǎo)致在規(guī)格參數(shù)上有些許差異。例如同樣是+/-10ppm的頻偏，A的可能大部分是正偏，B的可能大部分是負(fù)偏。

解決辦法：一般來(lái)說(shuō)在這種情況下，如果是射頻類(lèi)產(chǎn)品最好讓晶振廠(chǎng)商幫忙做一些電路匹配測(cè)試，這樣確保電路匹配的最好。如果是非射頻類(lèi)產(chǎn)品則一般在指標(biāo)相同的情況下可以兼容。

6、晶振外殼脫落

原因：有時(shí)晶振在過(guò)回流焊后會(huì)出現(xiàn)晶振外殼掉落的現(xiàn)象;有些是因?yàn)榫д袷艿酵饬ψ矒舻仍驅(qū)е峦鈿っ撀洹?/p>

解決辦法：SMT廠(chǎng)在晶振過(guò)回流焊之前，請(qǐng)充分確認(rèn)爐溫曲線(xiàn)是否滿(mǎn)足晶振的過(guò)爐要求，一般來(lái)說(shuō)正規(guī)的晶振廠(chǎng)商提供的datasheet中都會(huì)提供參考值。

如果是外力因素導(dǎo)致的脫落則盡量避免這種情況發(fā)生。

7、其他......

晶振檢測(cè)5技巧

1、用萬(wàn)用表(R×10k擋)測(cè)晶振兩端的電阻值，

若為無(wú)窮大，說(shuō)明晶振無(wú)短路或漏電；再將試電筆插入市電插孔內(nèi)，用手指捏住晶振的任一引腳，將另一引腳碰觸試電筆頂端的金屬部分，若試電筆氖泡發(fā)紅，說(shuō)明晶振是好的；若氖泡不亮，則說(shuō)明晶振損壞。

2、用數(shù)字電容表（或數(shù)字萬(wàn)用表的電容檔）測(cè)量其電容，

一般損壞的晶振容量明顯減?。ú煌木д衿湔Ｈ萘烤哂幸欢ǖ姆秶?/p>

3、貼近耳朵輕搖，

有聲音就一定是壞的（內(nèi)部的晶體已經(jīng)碎了，還能用的話(huà)頻率也變了）

4、測(cè)試輸出腳電壓。

一般正常情況下，大約是電源電壓的一半。因?yàn)檩敵龅氖钦也ǎǚ宸逯到咏措妷海?，用萬(wàn)用表測(cè)試時(shí)，就差不多是一半啦。

5、用代換法或示波器測(cè)量。

 那么如何用萬(wàn)用表測(cè)量晶振是否起振？ 可以用萬(wàn)用表測(cè)量晶振兩個(gè)引腳電壓是否是芯片工作電壓的一半，比如工作電壓是5V則測(cè)出的是否是2.5V左右。另外如果用鑷子碰晶體另外一個(gè)腳，這個(gè)電壓有明顯變化，證明是起振了的。