晶振知识全总结

晶振定义

石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。

这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。

利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。

 

 

晶振分类

按大类分为以下4种

1、简单晶体振荡器(XO)

这是最基本的类型，其稳定度完全由晶体谐振器本身的固有特性决定。 在MHz范围内的较高频率晶体由石英棒制成，其制造方式是即使环境温度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之间变化，也可提供相对稳定的频率。即使在这么宽的温度范围内，适当切割的石英晶体也可实现±25ppm的稳定度。与诸如随温度变化可达1%(10,000ppm)或更高的LC振荡电路等其它被动谐振器相较，晶体振荡器的性能已大幅提升了。但对于某些应用来说，即使25ppm也不够好，因此必须采用额外措施。

2、温度补偿晶体振荡器(TCXO)

如果固有频率与石英晶体的温度稳定度无法满足应用要求，就可以采用温度补偿单元。TCXO使用温度感测元件以及产生电压曲线的电路，在整个温度范围内，该电压曲线与晶体的频率变化趋势完全相反，所以可理想地抵消晶体的漂移。根据TCXO的类型和温度范围，TCXO的典型稳定度规范范围为小于±0.5ppm至±5ppm。

3、恒温控制晶体振荡器(OCXO)

对于某些应用，TCXO的频率-温度稳定度指标仍无法满足要求。在这些情况下，可能需要OCXO。顾名思义，具有烤腔的振荡器将晶体加热到更高温度，但仍受控制，使得环境温度即使变化大，晶体的温度也保持稳定。由于晶体的温度和振荡器的敏感部份变化很小，频率-环境温度稳定度得到显着改善。在环境温度范围内，OCXO的稳定度可以达到0.001ppm。然而，这种稳定度的提升是以增加功耗为代价的，将热量提供给烤腔当然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率以维持内部温度。在开机后，还需要等待温度和频率稳定的暖机时间，取决于晶体振荡器的类型，暖机时长通常从1分钟到10多分钟。

4、压控晶体振荡器(VCXO)

在一些应用中，期望能够调谐或调整振荡器的频率，以便将其锁相到锁相环(PLL)中的参考，或可能用于调节波形。VCXO透过电子频率控制(EFC)电压输入，提供了这项功能。对于某些专用元件，VCXO的调谐范围规格可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。

  

 

 

晶振选型5要素

1、输出频率

任何振荡器最基本的属性都是它生成的频率。根据定义，振荡器是接受输入电压(通常为直流电压)并在某一频率下产生重复交流输出的器件。所需的频率由系统类型和如何使用该振荡器所决定。

一些应用需要kHz范围内的低频晶体。一个常见的例子是32.768 kHz手(钟)表晶体。 但是大多数当前的应用需要更高频率的晶体，范围从小于10MHz到大于100MHz。

2、频率稳定性和温度范围

所需的频率稳定性由系统要求确定。振荡器的稳定性可简单地表述为：由于某些原因引起的频率变化除以中心频率。（即：稳定性=频率变化÷中心频率）

3、输入电压和功率

任何类型的晶振通常都可以被设计为利用系统中已有的DC输入电源电压来操作。 在数字系统中，通常希望使用与振荡器将驱动的系统中的逻辑器件所使用的电压相匹配的电压来驱动晶振，以便逻辑电平是直接兼容的。+3.3V或+5V是这些数字单元的典型输入。具有较高功率输出的其它器件可以使用较高电压，例如+12V或+15V。另一个考虑因素是为器件供电所需的电流量。XO或TCXO可能只需要几mA，因此在低电压系统中，其功耗可以小于0.01W。另一方面，在上电时，一些OCXO可以需要5W或6W。

4、输出波形

然后要选择输出波形以匹配振荡器将在系统中驱动的负载。最常见的输出之一是CMOS——以驱动逻辑电平输入。CMOS输出将是在地电位和系统的Vdd轨之间摆动的方波。对于高于约100MHz的较高频率，通常使用差分方波。这些振荡器具有两个180°异相的输出、具有快速上升和下降时间以及非常小的抖动。最通用的类型是LVPECL和LVDS。如果振荡器用于驱动RF组件、如混频器或其它具有50Ω输入阻抗的器件，则通常会指定某个功率级别的正弦波输出。产生的输出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之间，尽管如果需要可以输出更高功率。

5、封装尺寸和外形

基于振荡器类型和规格，对晶振封装的要求将大相径庭。简单的时钟振荡器和一些TCXO可以装在小到1.2×2.5mm2的封装中；而一些OCXO可以大到50×50mm2，对某些特定设计，甚至可更大。虽然一些通孔封装如双列直插式4或14引脚类型仍然用于较大的部件(如OCXO或专用TCXO)，但大多数当前设计使用表贴封装。这些表贴配置可以是密封的陶瓷封装，或基于FR-4的、具有用于I/O的建构的组件。

6、总结

器件选型时一般都要留出一些余量，以保证产品的可靠性。选用较高档的器件可以进一步降低失效概率，带来潜在的效益，这一点在比较产品价格的时候也要考虑到。要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理，这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素，这里的成本不仅仅包含器件的价格，而且包含产品全寿命的使用成本。

晶振不振10问题

1、 物料参数选型错误导致晶振不起振

例如：某MCU需要匹配6PF的32.768KHz，结果选用12.5PF的，导致不起振。

解决办法：更换符合要求的规格型号。必要时请与MCU原厂确认。

2、 内部水晶片破裂或损坏导致不起振

例如：运输过程中损坏、或者使用过程中跌落、撞击等因素造成晶振内部水晶片损坏，从而导致晶振不起振。

解决办法：更换好的晶振。平时需要注意的是：运输过程中要用泡沫包厚一些，避免中途损坏;制程过程中避免跌落、重压、撞击等，一旦有以上情况发生禁止再使用。

3、 振荡电路不匹配导致晶振不起振

影响振荡电路的三个指标：频率误差、负性阻抗、激励电平。

（1）频率误差太大，导致实际频率偏移标称频率从而引起晶振不起振。

解决办法：选择合适的PPM值的产品。

（2）负性阻抗过大太小都会导致晶振不起振。

解决办法：负性阻抗过大，可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调大来降低负性阻抗;负性阻抗太小，则可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调小来增大负性阻抗。一般而言，负性阻抗值应满足不少于晶振标称最大阻抗3-5倍。

（3）激励电平过大或者过小也将会导致晶振不起振

解决办法：通过调整电路中的Rd的大小来调节振荡电路对晶振输出的激励电平。一般而言，激励电平越小越好，处理功耗低之外，还跟振荡电路的稳定性和晶振的使用寿命有关。

4、 晶振内部水晶片上附有杂质或者尘埃等也会导致晶振不起振

例如：晶振的制程之一是水晶片镀电极，即在水晶片上镀上一次层金或者银电极，这要求在万级无尘车间作业完成。

如果空气中的尘埃颗粒附在电极上，或者有金渣银渣残留在电极上，则也会导致晶振不起振。

解决办法：更换新的晶振。在选择晶振供应商的时候需要对厂商的设备、车间环境、工艺及制程能力予以考量，这关系到产品的品质问题。

5、 晶振出现漏气导致不起振

例如：晶振在制程过程中要求将内部抽真空后充满氮气，如果出现压封不良，导致晶振气密性不好出现漏气;或者晶振在焊接过程中因为剪脚等过程中产品的机械应力导致晶振出现气密性不良;均会导致晶振出现不起振的现象。

解决办法：更换好的晶振。在制程和焊接过程中一定要规范作业，避免误操作导致产品损坏。

6、 焊接时温度过高或时间过长，导致晶振内部电性能指标出现异常而引起晶振不起振

例如:以32.768KHz直插型为例，要求使用178°C熔点的焊锡，晶振内部的温度超过150°C，会引起晶振特性的恶化或者不起振。焊接引脚时，280°C下5秒以内或者260°C以下10秒以内。

不要在引脚的根部直接焊接，这样也会导致晶振特性的恶化或者不起振。

解决办法：焊接制程过程中一定要规范操作，对焊接时间和温度的设定要符合晶振的要求。如有疑问可与我们联系确认。

7、 储存环境不当导致晶振电性能恶化而引起不起振

例如：在高温或者低温或者高湿度等条件下长时间使用或者保存，会引起晶振的电性能恶化，可能导致不起振。

解决办法：尽可能在常温常湿的条件下使用、保存，避免晶振或者电路板受潮。

8、 MCU质量问题、软件问题等导致晶振不起振

例如：目前市场上面MCU散新货、翻新货、拆机货、贴牌货等鱼龙混杂，如果没有一定的行业经验或者选择正规的供货商，则极易买到非正品。

这样电路容易出现问题，导致振荡电路不能工作。

另外即便是正品MCU，如果烧录程序出现问题，也可能导致晶振不能起振。

9、 EMC问题导致晶振不起振

例如：一般而言，金属封装的制品在抗电磁干扰上优于陶瓷封装制品，如果电路上EMC较大，则尽量选用金属封装制品。

另外晶振下面不要走信号线，避免带来干扰。

10、其他......

 

 

晶振不良7端倪

1、频率偏移超出正常值

原:1：当电路中心频率正偏时，说明CL偏小。

解决办法：可以增加晶振外接电容Cd和Cg的值。

原因2：当电路中心频率负偏时，说明CL偏大。

解决办法：可以减少晶振外接电容Cd和Cg的值。

2、晶振在工作中出现发烫，逐渐出现停振现象

原因：排除工作环境温度对其的影响，最可能出现的情况是激励电平过大。

解决办法：将激励电平DL降低，可增加Rd来调节DL。

3、晶振在工作逐渐出现停振现象，用手碰触或者用电烙铁加热晶振引脚又开始工作。

原因：出现这种情况是因为振荡电路中的负性阻抗值太小。

解决办法：需要调整晶振外接电容Cd和Cg的值来达到满足振荡电路的回路增益。

4、晶振虚焊或者引脚、焊盘不吃锡

原因：出现这种情况一般来说引脚出现氧化现象，或者引脚镀层脱落导致。

解决办法：晶振的储存环境相当重要，常温、常湿下保存，避免受潮。另外晶振引脚镀层脱落，可能跟晶振厂商或者SMT厂商的制程工艺有关，需要进一步确认。

5、同一个产品试用两家不同晶振厂商的产品，结果不一样

原因：出现这种情况很好理解，不同厂商的材料、制程工艺等都不一样，会导致在规格参数上有些许差异。例如同样是+/-10ppm的频偏，A的可能大部分是正偏，B的可能大部分是负偏。

解决办法：一般来说在这种情况下，如果是射频类产品最好让晶振厂商帮忙做一些电路匹配测试，这样确保电路匹配的最好。如果是非射频类产品则一般在指标相同的情况下可以兼容。

6、晶振外壳脱落

原因：有时晶振在过回流焊后会出现晶振外壳掉落的现象;有些是因为晶振受到外力撞击等原因导致外壳脱落。

解决办法：SMT厂在晶振过回流焊之前，请充分确认炉温曲线是否满足晶振的过炉要求，一般来说正规的晶振厂商提供的datasheet中都会提供参考值。

如果是外力因素导致的脱落则尽量避免这种情况发生。

7、其他......

晶振检测5技巧

1、用万用表(R×10k挡)测晶振两端的电阻值，

若为无穷大，说明晶振无短路或漏电；再将试电笔插入市电插孔内，用手指捏住晶振的任一引脚，将另一引脚碰触试电笔顶端的金属部分，若试电笔氖泡发红，说明晶振是好的；若氖泡不亮，则说明晶振损坏。

2、用数字电容表（或数字万用表的电容档）测量其电容，

一般损坏的晶振容量明显减小（不同的晶振其正常容量具有一定的范围）

3、贴近耳朵轻摇，

有声音就一定是坏的（内部的晶体已经碎了，还能用的话频率也变了）

4、测试输出脚电压。

一般正常情况下，大约是电源电压的一半。因为输出的是正弦波（峰峰值接近源电压），用万用表测试时，就差不多是一半啦。

5、用代换法或示波器测量。

 那么如何用万用表测量晶振是否起振？ 可以用万用表测量晶振两个引脚电压是否是芯片工作电压的一半，比如工作电压是5V则测出的是否是2.5V左右。另外如果用镊子碰晶体另外一个脚，这个电压有明显变化，证明是起振了的。