晶振定義

石英晶體振蕩器，石英諧振器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應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的作用時會產生機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。

利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)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，被應用于家用電器和通信設備中。

 

 

晶振分類

按大類分為以下4種

1、簡單晶體振蕩器(XO)

這是最基本的類型，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，也可提供相對穩(wěn)定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內，適當切割的石英晶體也可實現±25ppm的穩(wěn)定度。與諸如隨溫度變化可達1%(10,000ppm)或更高的LC振蕩電路等其它被動諧振器相較，晶體振蕩器的性能已大幅提升了。但對于某些應用來說，即使25ppm也不夠好，因此必須采用額外措施。

2、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)

如果固有頻率與石英晶體的溫度穩(wěn)定度無法滿足應用要求，就可以采用溫度補償單元。TCXO使用溫度感測元件以及產生電壓曲線的電路，在整個溫度范圍內，該電壓曲線與晶體的頻率變化趨勢完全相反，所以可理想地抵消晶體的漂移。根據TCXO的類型和溫度范圍，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)

對于某些應用，TCXO的頻率-溫度穩(wěn)定度指標仍無法滿足要求。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，OCXO的穩(wěn)定度可以達到0.001ppm。然而，這種穩(wěn)定度的提升是以增加功耗為代價的，將熱量提供給烤腔當然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率以維持內部溫度。在開機后，還需要等待溫度和頻率穩(wěn)定的暖機時間，取決于晶體振蕩器的類型，暖機時長通常從1分鐘到10多分鐘。

4、壓控晶體振蕩器(VCXO)

在一些應用中，期望能夠調諧或調整振蕩器的頻率，以便將其鎖相到鎖相環(huán)(PLL)中的參考，或可能用于調節(jié)波形。VCXO透過電子頻率控制(EFC)電壓輸入，提供了這項功能。對于某些專用元件，VCXO的調諧范圍規(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)并在某一頻率下產生重復交流輸出的器件。所需的頻率由系統(tǒng)類型和如何使用該振蕩器所決定。

一些應用需要kHz范圍內的低頻晶體。一個常見的例子是32.768 kHz手(鐘)表晶體。 但是大多數當前的應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

任何類型的晶振通常都可以被設計為利用系統(tǒng)中已有的DC輸入電源電壓來操作。 在數字系統(tǒng)中，通常希望使用與振蕩器將驅動的系統(tǒng)中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來驅動晶振，以便邏輯電平是直接兼容的。+3.3V或+5V是這些數字單元的典型輸入。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，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)中驅動的負載。最常見的輸出之一是CMOS——以驅動邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和系統(tǒng)的Vdd軌之間擺動的方波。對于高于約100MHz的較高頻率，通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個180°異相的輸出、具有快速上升和下降時間以及非常小的抖動。最通用的類型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用于驅動RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件，則通常會指定某個功率級別的正弦波輸出。產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

基于振蕩器類型和規(guī)格，對晶振封裝的要求將大相徑庭。簡單的時鐘振蕩器和一些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，對某些特定設計，甚至可更大。雖然一些通孔封裝如雙列直插式4或14引腳類型仍然用于較大的部件(如OCXO或專用TCXO)，但大多數當前設計使用表貼封裝。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的建構的組件。

6、總結

器件選型時一般都要留出一些余量，以保證產品的可靠性。選用較高檔的器件可以進一步降低失效概率，帶來潛在的效益，這一點在比較產品價格的時候也要考慮到。要使振蕩器的“整體性能”趨于平衡、合理，這就需要權衡諸如穩(wěn)定度、工作溫度范圍、晶體老化效應、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格，而且包含產品全壽命的使用成本。

晶振不振10問題

1、 物料參數選型錯誤導致晶振不起振

例如：某MCU需要匹配6PF的32.768KHz，結果選用12.5PF的，導致不起振。

解決辦法：更換符合要求的規(guī)格型號。必要時請與MCU原廠確認。

2、 內部水晶片破裂或損壞導致不起振

例如：運輸過程中損壞、或者使用過程中跌落、撞擊等因素造成晶振內部水晶片損壞，從而導致晶振不起振。

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

3、 振蕩電路不匹配導致晶振不起振

影響振蕩電路的三個指標：頻率誤差、負性阻抗、激勵電平。

（1）頻率誤差太大，導致實際頻率偏移標稱頻率從而引起晶振不起振。

解決辦法：選擇合適的PPM值的產品。

（2）負性阻抗過大太小都會導致晶振不起振。

解決辦法：負性阻抗過大，可以將晶振外接電容Cd和Cg的值調大來降低負性阻抗;負性阻抗太小，則可以將晶振外接電容Cd和Cg的值調小來增大負性阻抗。一般而言，負性阻抗值應滿足不少于晶振標稱最大阻抗3-5倍。

（3）激勵電平過大或者過小也將會導致晶振不起振

解決辦法：通過調整電路中的Rd的大小來調節(jié)振蕩電路對晶振輸出的激勵電平。一般而言，激勵電平越小越好，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。

4、 晶振內部水晶片上附有雜質或者塵埃等也會導致晶振不起振

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，這要求在萬級無塵車間作業(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，則也會導致晶振不起振。

解決辦法：更換新的晶振。在選擇晶振供應商的時候需要對廠商的設備、車間環(huán)境、工藝及制程能力予以考量，這關系到產品的品質問題。

5、 晶振出現漏氣導致不起振

例如：晶振在制程過程中要求將內部抽真空后充滿氮氣，如果出現壓封不良，導致晶振氣密性不好出現漏氣;或者晶振在焊接過程中因為剪腳等過程中產品的機械應力導致晶振出現氣密性不良;均會導致晶振出現不起振的現象。

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

6、 焊接時溫度過高或時間過長，導致晶振內部電性能指標出現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熔點的焊錫，晶振內部的溫度超過150°C，會引起晶振特性的惡化或者不起振。焊接引腳時，280°C下5秒以內或者260°C以下10秒以內。

不要在引腳的根部直接焊接，這樣也會導致晶振特性的惡化或者不起振。

解決辦法：焊接制程過程中一定要規(guī)范操作，對焊接時間和溫度的設定要符合晶振的要求。如有疑問可與我們聯系確認。

7、 儲存環(huán)境不當導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時間使用或者保存，會引起晶振的電性能惡化，可能導致不起振。

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質量問題、軟件問題等導致晶振不起振

例如：目前市場上面MCU散新貨、翻新貨、拆機貨、貼牌貨等魚龍混雜，如果沒有一定的行業(yè)經驗或者選擇正規(guī)的供貨商，則極易買到非正品。

這樣電路容易出現問題，導致振蕩電路不能工作。

另外即便是正品MCU，如果燒錄程序出現問題，也可能導致晶振不能起振。

9、 EMC問題導致晶振不起振

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線，避免帶來干擾。

10、其他......

 

 

晶振不良7端倪

1、頻率偏移超出正常值

原:1：當電路中心頻率正偏時，說明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：當電路中心頻率負偏時，說明CL偏大。

解決辦法：可以減少晶振外接電容Cd和Cg的值。

2、晶振在工作中出現發(fā)燙，逐漸出現停振現象

原因：排除工作環(huán)境溫度對其的影響，最可能出現的情況是激勵電平過大。

解決辦法：將激勵電平DL降低，可增加Rd來調節(jié)DL。

3、晶振在工作逐漸出現停振現象，用手碰觸或者用電烙鐵加熱晶振引腳又開始工作。

原因：出現這種情況是因為振蕩電路中的負性阻抗值太小。

解決辦法：需要調整晶振外接電容Cd和Cg的值來達到滿足振蕩電路的回路增益。

4、晶振虛焊或者引腳、焊盤不吃錫

原因：出現這種情況一般來說引腳出現氧化現象，或者引腳鍍層脫落導致。

解決辦法：晶振的儲存環(huán)境相當重要，常溫、常濕下保存，避免受潮。另外晶振引腳鍍層脫落，可能跟晶振廠商或者SMT廠商的制程工藝有關，需要進一步確認。

5、同一個產品試用兩家不同晶振廠商的產品，結果不一樣

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

解決辦法：一般來說在這種情況下，如果是射頻類產品最好讓晶振廠商幫忙做一些電路匹配測試，這樣確保電路匹配的最好。如果是非射頻類產品則一般在指標相同的情況下可以兼容。

6、晶振外殼脫落

原因：有時晶振在過回流焊后會出現晶振外殼掉落的現象;有些是因為晶振受到外力撞擊等原因導致外殼脫落。

解決辦法：SMT廠在晶振過回流焊之前，請充分確認爐溫曲線是否滿足晶振的過爐要求，一般來說正規(guī)的晶振廠商提供的datasheet中都會提供參考值。

如果是外力因素導致的脫落則盡量避免這種情況發(fā)生。

7、其他......

晶振檢測5技巧

1、用萬用表(R×10k擋)測晶振兩端的電阻值，

若為無窮大，說明晶振無短路或漏電；再將試電筆插入市電插孔內，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，說明晶振是好的；若氖泡不亮，則說明晶振損壞。

2、用數字電容表（或數字萬用表的電容檔）測量其電容，

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（內部的晶體已經碎了，還能用的話頻率也變了）

4、測試輸出腳電壓。

一般正常情況下，大約是電源電壓的一半。因為輸出的是正弦波（峰峰值接近源電壓），用萬用表測試時，就差不多是一半啦。

5、用代換法或示波器測量。

 那么如何用萬用表測量晶振是否起振？ 可以用萬用表測量晶振兩個引腳電壓是否是芯片工作電壓的一半，比如工作電壓是5V則測出的是否是2.5V左右。另外如果用鑷子碰晶體另外一個腳，這個電壓有明顯變化，證明是起振了的。