晶振概述、參數(shù)及原理

一、概述

晶振是有源晶振的簡(jiǎn)稱，又叫振蕩器。英文名稱是oscillator。

晶體則是無(wú)源晶振的簡(jiǎn)稱，也叫諧振器。英文名稱是crystal，電路上簡(jiǎn)稱為XTAL。

無(wú)源晶振（晶體）：需要借助時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)。

有源晶振（晶振）：內(nèi)部有時(shí)鐘電路，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號(hào)。

有源晶振內(nèi)部是包含了一個(gè)無(wú)源晶振，然后再將阻容、放大等電路也包含進(jìn)去。

晶體單元的特性取決于切割工藝，不同的切割方式?jīng)Q定了晶振的性能或參數(shù)，主要有三種：

音叉型（Turning Fork）：頻率主要是KHz級(jí)，比如32.768KHz；

AT-Cut型：頻率主要是MHz，比如12MHz、26MHz、125MHz；

SAW型：頻率為百M(fèi)Hz、甚至GHz。

石英晶振結(jié)構(gòu)圖：

晶體振蕩原理是壓電效應(yīng)：

二、參數(shù)

標(biāo)稱頻率(Normal Frequency) F0：電路設(shè)計(jì)上所需的實(shí)際頻率。

振動(dòng)模式(Mode of Oscillation)：按照切割工藝來(lái)劃分的。

負(fù)載電容(Load Capacitance)CL：在電路中跨接晶振兩端總的外界有效電容；要等于或接近晶振數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的數(shù)值才能使晶振按照預(yù)期工作；比較通常使用的24MHz晶振負(fù)載電容是20pF；

靜態(tài)電容C0：以石英晶片為介電材料和兩個(gè)電極之間的電容；很多晶振規(guī)格里是<3pF的；

等效電阻：晶體上的等效ESR。

調(diào)整頻偏(Frequency Tolerance)：在確定的負(fù)載電容下，振蕩頻率的偏差。

頻偏：常溫頻偏+溫度頻偏<芯片要求頻偏。

溫度頻偏(Temperature Tolerance)：高溫時(shí)所帶來(lái)的頻率偏差。通常有溫度要求的，要選用10ppm。

激勵(lì)功率：振蕩需要的功率。主控端的輸出激勵(lì)功率不能太大，正常會(huì)串電阻，防止給到晶體的激勵(lì)功率偏大，造成晶體的損壞。

老化率：隨著使用時(shí)間，頻偏會(huì)加大。

三、設(shè)計(jì)電路

Xin和Xout的內(nèi)部一般是一個(gè)施密特反相器，反相器是不能驅(qū)動(dòng)晶體震蕩的。因此，在反相器的兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，由電阻完成將輸出的信號(hào)反向180度反饋到輸入端形成負(fù)反饋，構(gòu)成負(fù)反饋放大電路。

Rf：反饋電阻（主控端內(nèi)置或外接）；

Rd：限流電阻（預(yù)防晶振過(guò)驅(qū)，限制振蕩幅度）；

Cg和Cd：負(fù)載電容；

電路中負(fù)載電容計(jì)算法：

CL=Cg*Cd/（Cg+Cd）+CPAR

Cg、Cd：負(fù)載電容；

CPAR：電路布線雜散電容及引腳寄生電容(2pF---9pF)。

輸出頻率F與寄生電容是反比的：

當(dāng)電路中心頻率偏大時(shí)，說(shuō)明負(fù)載電容CL偏小，增加Cg、Cd容值。

當(dāng)電路中心頻率偏小時(shí)，說(shuō)明負(fù)載電容CL偏大，減小Cg、Cd容值。

四、負(fù)阻

4.1 負(fù)電阻

英文：Negative Resistance

英文簡(jiǎn)稱：– R

單位符號(hào)：Ω

負(fù)電阻不是晶振的內(nèi)置參數(shù)， 但卻是振蕩線路設(shè)計(jì)時(shí)，很重要的性能指標(biāo)。

是電路放大器（AMP）注入能量的大小用電阻來(lái)表示（是提供功率的器件，相當(dāng)于激勵(lì)源）。

是保證振蕩器穩(wěn)定振蕩并具有一定余量的重要指標(biāo)。

是用阻抗表示的振蕩電路信號(hào)放大能力。

4.2 等效電路

在石英晶體振蕩狀態(tài)下，從石英振蕩體的兩端看振蕩回路時(shí)，能以等值輸入電容Ci和等值輸入電阻-Ri的串聯(lián)回路來(lái)表示，而石英晶體本身則成為等值的有效電感LL和有效電阻RR的串聯(lián)回路。

4.3 測(cè)試負(fù)阻方法：

量測(cè)負(fù)性阻抗：輸出端串接一個(gè)可變電阻，可變電阻調(diào)至最小，上電源讓電路正常動(dòng)作，調(diào)整可變電阻，將之調(diào)大，直至振蕩器不起振，確定不起振后，再將可變電阻轉(zhuǎn)小，觀測(cè)波形，持續(xù)將可變電阻調(diào)小到振蕩器開(kāi)始振蕩波形正常后，關(guān)閉電源，再打開(kāi)電源，若振蕩器依舊可以起振，這時(shí)候可變電阻上的阻抗值再加上儀器所測(cè)得振蕩器單體的電阻值即為負(fù)性阻抗值。

若要獲得穩(wěn)定的振蕩電路，振蕩電路IC的負(fù)電阻值（-R）至少為晶振的5倍以上，即絕對(duì)值|-R|>5R。舉例來(lái)說(shuō)：如果晶振電路阻抗總值為30Ω，那么IC的負(fù)電阻值需要至少在-150Ω，這樣才能有效保障振蕩回路的穩(wěn)定性。

若負(fù)性阻抗的能量源大于振蕩電路的損耗時(shí)，能源回路為平衡狀態(tài)，此回路為穩(wěn)定振蕩，負(fù)性阻抗不是產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)，但卻是振蕩線路設(shè)計(jì)時(shí)很重要的性能指針。

負(fù)性電阻振蕩器模型：

振蕩器描述為負(fù)性電阻 （Rn）、電路電抗 （Xc）、諧振器電抗 （XR） 和諧振器電阻 （RR） 的組合。當(dāng)Rn>RR時(shí)，電路將以使Xc=-XR的頻率振蕩。

4.4 負(fù)阻調(diào)整

調(diào)整負(fù)載電容CL大?。?/p>

選用內(nèi)阻較小的晶振；

修改電路上的其他參數(shù)，增大電路負(fù)性阻抗；

五、激勵(lì)功率計(jì)算及測(cè)試

有兩種辦法可以用來(lái)計(jì)算晶振的激勵(lì)功率：

5.1 通過(guò)電流計(jì)算

DL = ESR x (IQ)^2， IQ表示通過(guò)晶振電流的有效值， 通過(guò)示波器如下測(cè)量電流 ，如果過(guò)大的話， 則需要增加Rext電阻進(jìn)行限流， 測(cè)量電流的話，晶振引腳空間小，不好操作。

5.2 通過(guò)電壓計(jì)算

電流IQ(RMS) = 2 π F x VRMS x Ctot，因此，可以通過(guò)電壓來(lái)計(jì)算激勵(lì)功率。通過(guò)示波器測(cè)量晶振引腳的Vpp電壓，及相應(yīng)示波器探頭的電容Cprobe, 晶振的外部負(fù)載電容CL1。

計(jì)算公式如下：

六、晶體Layout

6.1 不能放置在板邊

如下圖所示，如果產(chǎn)品的晶體置于板邊，DUT產(chǎn)品的高速器件就會(huì)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的參考接地板形成一定的電場(chǎng)，且寄生電容的存在，出現(xiàn)共模輻射，寄生電容越大，共模輻射也就越強(qiáng)。

下圖左邊的電場(chǎng)被板子隔開(kāi)，不會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射。

雖然晶體是輻射源頭，但是晶體影響的是近場(chǎng)輻射，造成EMC測(cè)試的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的直接原因是電纜或產(chǎn)品中最大尺寸與輻射頻率波長(zhǎng)可比擬的導(dǎo)體。

6.2 鄰層挖空處理

主要有兩方面原因：

a）鄰近晶體的銅皮會(huì)與晶體之間，形成電容器，即寄生電容，影響到晶體的負(fù)載電容計(jì)算。當(dāng)然，只要實(shí)際測(cè)試晶體頻偏沒(méi)有問(wèn)題，這個(gè)寄生電容不影響到可靠性。

b）鄰近晶體的銅皮會(huì)產(chǎn)生熱，熱會(huì)影響到晶體的頻偏（溫度頻偏）。在手機(jī)電路設(shè)計(jì)方面，會(huì)在晶體正下方挖空兩層，起到隔熱傳遞。

七、案例

7.1、高溫導(dǎo)致頻偏大；

WIFI模組的尺寸比較小，發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，功率比較大，WIFI模組上的溫度就比較高，就會(huì)導(dǎo)致WIFI模組上40MHz無(wú)源晶振頻率偏差變大。這種情況下，只能更換溫度偏差10ppm的物料。

另，WIFI的頻偏要求比較高，正常要選用頻率偏差10ppm的。

7.2、負(fù)阻電阻過(guò)小，導(dǎo)致概率開(kāi)機(jī)有問(wèn)題

某機(jī)器在可靠性開(kāi)關(guān)機(jī)測(cè)試時(shí)，小概率的1%左右開(kāi)不起來(lái)的現(xiàn)象。熱風(fēng)槍加熱測(cè)試，不開(kāi)機(jī)概率增加，負(fù)性阻抗是120歐姆，而晶體的內(nèi)阻是50歐姆，也就是負(fù)性阻抗偏小，晶體振蕩不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)電路上的Rd改為100歐姆，測(cè)試的負(fù)性阻抗由250歐姆，重新老化開(kāi)關(guān)機(jī)測(cè)試，測(cè)試OK。

7.3、輻射超標(biāo)

某個(gè)產(chǎn)品在做EMC測(cè)試時(shí)，160MHz出現(xiàn)超標(biāo)，是板子上16MHz晶體的倍頻。從板子上，16MHz晶體放置在PCB板上邊緣。解決方案：a)16MHz晶體往板子里面移動(dòng)；b)在晶體四周做guard ring，起法拉第電籠作用。

（法拉第電籠：由金屬或良導(dǎo)體形成的籠子。可防止電磁場(chǎng)進(jìn)入或逃脫籠子。原理：根據(jù)接地導(dǎo)體靜電平衡的條件，籠體是一個(gè)等位體，內(nèi)部電勢(shì)差為零，電場(chǎng)為零，電荷分布在籠體的表面。）