晶振的分类

 

SPXO 普通晶振

时钟晶体振荡器是基本类型的振荡器，由晶振和基本驱动电路组成，没有任何形式的补偿。

VCXO 压控晶振

带电压控制功能的石英晶体振荡器，依赖于石英晶体的固有可拉性，以便通过施加外部电压来改变振荡器输出频率

TCXO 温补晶振 (Temperature Compensate XTAL (crystal) Oscillator)
通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减， 温度补偿型石英晶体谐振器，具有精度高等特点
OCXO 恒温晶振
如果需要非常高的稳定性，则采用此类产品。

 

无源晶振 有源晶振 MEMS振荡器

有源晶振即钟振，封装/频点/电压就基本OK，
无源晶振即谐振器，封装/频点/调整频差PPM/负载电容PF
基频与泛音模式，还有一个常温与宽温即温度的要求。

 

晶振的原理结构

 

晶片的固有机械谐振频率时，晶片的机械振动幅度最大，流过晶片的电流最大，产生了共振现象。

石英晶片的共振具有多谐性，即除可以基频共振外，还可以谐频共振，通常把利用晶片的基频共振的谐振器，利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器，一般能利用的是3、5、7之类的奇次泛音。晶片的振动频率与厚度成反比，工作频率越高，要求晶片越薄（尺寸越大，频率越低），这样的晶片其机械强度就越差，加工越困难，而且容易振碎，因此在工作频率较高时常采用泛音晶体。一般地，在工作频率小于20MHZ时采用基频晶体，在工作频率大于20MHZ时采用泛音晶体。

 

石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。

 

如常用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上，也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。

标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。频率精度和频率稳定度：由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从10^(-4)量级到10^(-10)量级不等。稳定度从±1到±100ppm不等。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。

晶振不振荡时，可以看成是一平板电容器C0，他和晶体的几何尺寸和电极面积有关，值在几PF到几十PF之间。晶振的机械振动的惯性使用电感L来等效，一般为10－3－102H之间，晶片的弹性以电容C1来等效，L、C的具体数值与切割方式，晶片和电极的尺寸，形状等有关。

标称频率（FL），负载电容（CL）、频率精度、频率稳定度等
晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能

Fs：晶体本身固有的频率，和晶体的切割方式、晶体厚度、晶体电极的等效厚度

 

晶振应用中之常见问题及解决方法

 

众所周知，在电子行业有这样一个形象的比喻：如果把MCU比作电路的“大脑”，那么晶振毫无疑问就是“心脏”了。同样，电路对“晶体晶振”（以下均简称：“晶振”）的要求也如一个人对心脏的要求一样，最需要的就是稳定可靠。晶振在电路中的作用就是为系统提供基本的频率信号，如果晶振不工作，MCU就会停止导致整个电路都不能工作。然而很多工程师对晶振缺乏足够的重视和了解，而一旦出了问题却又表现的束手无策，缺乏解决问题的思路和办法。

晶振不起振问题归纳

 

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原厂或者我们确认。

 

2、内部水晶片破裂或损坏导致不起振

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。

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。

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。

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

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

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

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

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

解决办法：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

解决办法：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、其他问题导致晶振不起振

 

晶振其他不良问题归纳

 

1、频率偏移超出正常值。

解决办法：当电路中心频率正偏时，说明CL偏小，可以增加晶振外接电容Cd和Cg的值。当电路中心频率负偏时，说明CL偏大，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。

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。

解决办法：出现这种情况是因为振荡电路中的负性阻抗值太小，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。

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。

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。

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、其他不良问题

晶振设计、过程中的建议

 

1、在PCB布线时，晶振电路的走线尽可能的短直，并尽可能靠近MCU。尽量降低振荡电路中的杂散电容对晶振的影响。

 

2、PCB布线的时候，尽量不要在晶振下面走信号线，避免对晶振产生电磁干扰，从而导致振荡电路不稳定。

 

3、如果你的PCB板比较大，晶振尽量不要设计在中间，尽量靠边一些。这是因为晶振设计在中间位置会因PCB板变形产生的机械张力而受影响，可能出现不良。

 

4、如果你的PCB板比较小，那么建议晶振设计位置尽量往中间靠，不要设计在边沿位置。这是因为PCB板小，一般SMT过回流焊都是多拼板，在分板的时候产生的机械张力会对晶振有影响，可能产生不良。

 

5、在选择晶振的型号及规格参数时，工程师应尽量与晶振大厂商或者专业代理商确认，避免选择的尺寸或者指标不常用，导致供货渠道少、批量供货周期长而影响生产，而且在价格上也会处于被动。

 

6、带有晶振的电路板一般不建议用超声波清洗，避免发生共振而损坏晶振导致不良。

虽然一般的晶振价格都比较便宜，在电路上也不那么起眼，但是晶振现在越来越受工程师的重视了。最直接的原因就是如果晶振出现异常，经常让工程师们抓狂，并且经常束手无策。因此选择一家好的晶振供应商就显得尤为重要了。