晶振的選型考量和失效分析
01
晶振的分類應(yīng)用
晶振分類雖然多種多樣，但是晶振的作用無非是以下2種：
1. 為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號。
一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步（有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻雖然使用不同的晶振，但是通過電子調(diào)頻保持同步）。
2. 與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率（如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供）。
結(jié)合應(yīng)用場景中系統(tǒng)的需求，來看需要的是各個(gè)參數(shù)已定的直接應(yīng)用的晶振，還是根據(jù)調(diào)試需求去匹配阻容調(diào)試的晶體。
在以前的文章中，也說明了，晶振在電氣上可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分，其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路（如圖1）。
圖 1 晶振等效電路 所以，振蕩器的實(shí)質(zhì)都是一樣的。就像玩樂高一樣，不同的配置和組合決定了振蕩器不同的參數(shù)和特點(diǎn)。如表一之中的五種振蕩器便在精度、EMI特性、敏感溫濕度、功耗等不一樣，也因此應(yīng)用于不同的產(chǎn)品有不同的優(yōu)勢。 表格 1 不同振蕩器的特點(diǎn) 既然說晶振是是數(shù)字電路的心臟，也因此是數(shù)字電路不可能不需要晶振。雖然處處可見無處不在，但筆者將晶振的應(yīng)用分為常見的六大類：消費(fèi)電子、智能家居、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子、醫(yī)療系統(tǒng)、工業(yè)控制。（航天航空產(chǎn)品有著更高的要求，在此不論） 表格 2 晶振的應(yīng)用領(lǐng)域一覽 對于表格2的各個(gè)應(yīng)用中，如何選型，標(biāo)準(zhǔn)是什么，我們需要從兩個(gè)方面來擴(kuò)展，分別是一般選型標(biāo)準(zhǔn)，和這些應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求。 一般晶振的基本參數(shù)我們在上一篇文章中已然說過，具體到工程師如何設(shè)計(jì)便是結(jié)合晶振的主要參數(shù)來看，主要有以下幾個(gè)參數(shù)： 1、輸出頻率 2、頻率穩(wěn)定性 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、工作溫度范圍 4、輸入電壓和功率 5、輸出波形 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。 最常見的輸出之一是CMOS即以驅(qū)動(dòng)邏輯電平輸入（GND-VDD之間的方波）。差分方波（有兩個(gè)180°異相輸出、快速上升/下降時(shí)間、抖動(dòng)?。┩ǔＴ诟哂诩s100MHz的較高頻率時(shí)使用。 LVPECL和LVDS是最通用的類型。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)功率級別的正弦波輸出。 6、封裝尺寸和外形 總體來說，根據(jù)參數(shù)和具體應(yīng)用場景選型時(shí)一般都要留出一些余量，以保證產(chǎn)品的可靠性。選用規(guī)格較高的器件可以進(jìn)一步降低失效概率。而要使振蕩器的“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，從成本和產(chǎn)品壽命兩個(gè)方面權(quán)衡考慮。
02 如何就不同的應(yīng)用選擇晶振 目前對于一些使用晶振的場合和系統(tǒng)，已經(jīng)有很大一部分形成了專用標(biāo)準(zhǔn)，頻點(diǎn)首當(dāng)其沖，此外的影響參數(shù)如溫漂等都在不同應(yīng)用（如表二）中有不同規(guī)格的具體區(qū)分。 圖 2 HKC在消費(fèi)電子、通信領(lǐng)域的客戶 消費(fèi)電子領(lǐng)域，手機(jī)使用24MHZ居多，NFC技術(shù)使用13.56MHz、27.120MHz，對講機(jī)使用21.4MHZ、21.7MHZ；電腦中主板使用14.318MHz、32.768KHz，以及24.576MHz聲卡晶振，25MHz網(wǎng)卡晶振，還有鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭、藍(lán)牙等使用6-12MHZ的晶振。 家居領(lǐng)域，空調(diào)使用32.768KHZ、4.000MHZ和4.194304MHZ等晶振，機(jī)頂盒使用13.5MHZ、27MHZ、54MHZ（此前的電視技術(shù)，彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高而且價(jià)格便宜，更換容易。）； 工控領(lǐng)域，安防系統(tǒng)常用12.000MHz、21.400MHz、18.9375MHz、19.069928MHz、28.375MHz、28.63636MHz、37.875MHz、13.560MHz、24.000MHz、12.270MHz等。 網(wǎng)絡(luò)通信中使用12MHZ、16MHZ、26MHZ、32.768KHZ等等（通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)龋?/p> 晶振必不可少，選用的種類和標(biāo)準(zhǔn)也及其多，比如HKC公司就具有KHZ、MHZ、XO、TCXO、GNSSDO等產(chǎn)品線上百種晶體，涉及自動(dòng)駕駛、汽車娛樂模塊、車身控制模塊、藍(lán)牙、通用、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、遙控器、汽車遙控鑰匙、數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換盒、系統(tǒng)芯片、無線胎壓監(jiān)測、Wi-Fi、Wi-Fi 6等多種應(yīng)用場合。與TI、NXP、MTK、LFC、Nordic等數(shù)十個(gè)綜合芯片設(shè)計(jì)公司有合作。 與Nordic的nRF52810、TI的CC2541匹配了32MHZ、32.768KHZ；與TI的2564匹配了26MHZ、38.4MHZ、32.768KHZ、26MHZ；與高通的IPQ6000、IPQ8074進(jìn)行匹配的96MHZ等，HKC的產(chǎn)品與不同的MCU、DSP或者RF系統(tǒng)進(jìn)行了大量匹配，是可靠的系統(tǒng)心臟。 03 晶振失效解析 晶振的好壞直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故如何選擇一顆晶振，怎么看晶振的主要參數(shù)，是工程師的必修課，參數(shù)的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具體選擇不僅僅需要對晶振參數(shù)的詳細(xì)把控，也要不同參照不同系統(tǒng)的要求。 選擇不適當(dāng)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致晶振不起振。系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，一般有以下三大原因： 1、選型：物料參數(shù)選型錯(cuò)誤導(dǎo)致晶振不起振 A、等效負(fù)載需要6PF而選擇了15PF； B、頻率誤差（ppm）太大，導(dǎo)致實(shí)際頻率偏移標(biāo)稱頻率從而引起晶振不起振； C、負(fù)性阻抗過大太小都會(huì)導(dǎo)致晶振不起振（調(diào)節(jié)外接電容，如圖3中C1 C2，一般而言，負(fù)性阻抗值應(yīng)滿足不少于晶振標(biāo)稱最大阻抗3-5倍。負(fù)性阻抗過大，可以將晶振外接電容Cd和Cg的值調(diào)大來降低負(fù)性阻抗）； 圖3 D、激勵(lì)電平過大或者過小導(dǎo)致晶振不起振；（通過調(diào)整電路中的Rd的大小來調(diào)節(jié)振蕩電路對晶振輸出的激勵(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)。） 2、 質(zhì)量：晶振制造問題 A、內(nèi)部水晶片破裂或損壞導(dǎo)致不起振 B、晶振內(nèi)部水晶片上附有雜質(zhì)或者塵埃等導(dǎo)致晶振不起振 3.使用 A、 焊接時(shí)溫度過高或時(shí)間過長，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 B、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 C、EMC問題導(dǎo)致晶振不起 當(dāng)使用時(shí)發(fā)現(xiàn)晶振不起振，一般從以上三點(diǎn)找原因即可，若出現(xiàn)停振，則要看看是否發(fā)燙，從而可能是激勵(lì)電平過高的原因；抑或是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始工作，則一般原因?yàn)檎袷庪娐分械呢?fù)性阻抗值太小，需要調(diào)整晶振外接電容Cd和Cg的值來達(dá)到滿足振蕩電路的回路增益。
晶振的選型考量和失效分析
01
晶振的分類應(yīng)用
晶振分類雖然多種多樣，但是晶振的作用無非是以下2種：
1. 為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號。
一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步（有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻雖然使用不同的晶振，但是通過電子調(diào)頻保持同步）。
2. 與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率（如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供）。
結(jié)合應(yīng)用場景中系統(tǒng)的需求，來看需要的是各個(gè)參數(shù)已定的直接應(yīng)用的晶振，還是根據(jù)調(diào)試需求去匹配阻容調(diào)試的晶體。
在以前的文章中，也說明了，晶振在電氣上可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分，其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路（如圖1）。
圖 1 晶振等效電路 所以，振蕩器的實(shí)質(zhì)都是一樣的。就像玩樂高一樣，不同的配置和組合決定了振蕩器不同的參數(shù)和特點(diǎn)。如表一之中的五種振蕩器便在精度、EMI特性、敏感溫濕度、功耗等不一樣，也因此應(yīng)用于不同的產(chǎn)品有不同的優(yōu)勢。 表格 1 不同振蕩器的特點(diǎn) 既然說晶振是是數(shù)字電路的心臟，也因此是數(shù)字電路不可能不需要晶振。雖然處處可見無處不在，但筆者將晶振的應(yīng)用分為常見的六大類：消費(fèi)電子、智能家居、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子、醫(yī)療系統(tǒng)、工業(yè)控制。（航天航空產(chǎn)品有著更高的要求，在此不論） 表格 2 晶振的應(yīng)用領(lǐng)域一覽 對于表格2的各個(gè)應(yīng)用中，如何選型，標(biāo)準(zhǔn)是什么，我們需要從兩個(gè)方面來擴(kuò)展，分別是一般選型標(biāo)準(zhǔn)，和這些應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求。 一般晶振的基本參數(shù)我們在上一篇文章中已然說過，具體到工程師如何設(shè)計(jì)便是結(jié)合晶振的主要參數(shù)來看，主要有以下幾個(gè)參數(shù)： 1、輸出頻率 2、頻率穩(wěn)定性 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、工作溫度范圍 4、輸入電壓和功率 5、輸出波形 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。 最常見的輸出之一是CMOS即以驅(qū)動(dòng)邏輯電平輸入（GND-VDD之間的方波）。差分方波（有兩個(gè)180°異相輸出、快速上升/下降時(shí)間、抖動(dòng)?。┩ǔＴ诟哂诩s100MHz的較高頻率時(shí)使用。 LVPECL和LVDS是最通用的類型。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)功率級別的正弦波輸出。 6、封裝尺寸和外形 總體來說，根據(jù)參數(shù)和具體應(yīng)用場景選型時(shí)一般都要留出一些余量，以保證產(chǎn)品的可靠性。選用規(guī)格較高的器件可以進(jìn)一步降低失效概率。而要使振蕩器的“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，從成本和產(chǎn)品壽命兩個(gè)方面權(quán)衡考慮。
02 如何就不同的應(yīng)用選擇晶振 目前對于一些使用晶振的場合和系統(tǒng)，已經(jīng)有很大一部分形成了專用標(biāo)準(zhǔn)，頻點(diǎn)首當(dāng)其沖，此外的影響參數(shù)如溫漂等都在不同應(yīng)用（如表二）中有不同規(guī)格的具體區(qū)分。 圖 2 HKC在消費(fèi)電子、通信領(lǐng)域的客戶 消費(fèi)電子領(lǐng)域，手機(jī)使用24MHZ居多，NFC技術(shù)使用13.56MHz、27.120MHz，對講機(jī)使用21.4MHZ、21.7MHZ；電腦中主板使用14.318MHz、32.768KHz，以及24.576MHz聲卡晶振，25MHz網(wǎng)卡晶振，還有鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭、藍(lán)牙等使用6-12MHZ的晶振。 家居領(lǐng)域，空調(diào)使用32.768KHZ、4.000MHZ和4.194304MHZ等晶振，機(jī)頂盒使用13.5MHZ、27MHZ、54MHZ（此前的電視技術(shù)，彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高而且價(jià)格便宜，更換容易。）； 工控領(lǐng)域，安防系統(tǒng)常用12.000MHz、21.400MHz、18.9375MHz、19.069928MHz、28.375MHz、28.63636MHz、37.875MHz、13.560MHz、24.000MHz、12.270MHz等。 網(wǎng)絡(luò)通信中使用12MHZ、16MHZ、26MHZ、32.768KHZ等等（通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)龋?/p> 晶振必不可少，選用的種類和標(biāo)準(zhǔn)也及其多，比如HKC公司就具有KHZ、MHZ、XO、TCXO、GNSSDO等產(chǎn)品線上百種晶體，涉及自動(dòng)駕駛、汽車娛樂模塊、車身控制模塊、藍(lán)牙、通用、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、遙控器、汽車遙控鑰匙、數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換盒、系統(tǒng)芯片、無線胎壓監(jiān)測、Wi-Fi、Wi-Fi 6等多種應(yīng)用場合。與TI、NXP、MTK、LFC、Nordic等數(shù)十個(gè)綜合芯片設(shè)計(jì)公司有合作。 與Nordic的nRF52810、TI的CC2541匹配了32MHZ、32.768KHZ；與TI的2564匹配了26MHZ、38.4MHZ、32.768KHZ、26MHZ；與高通的IPQ6000、IPQ8074進(jìn)行匹配的96MHZ等，HKC的產(chǎn)品與不同的MCU、DSP或者RF系統(tǒng)進(jìn)行了大量匹配，是可靠的系統(tǒng)心臟。 03 晶振失效解析 晶振的好壞直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故如何選擇一顆晶振，怎么看晶振的主要參數(shù)，是工程師的必修課，參數(shù)的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具體選擇不僅僅需要對晶振參數(shù)的詳細(xì)把控，也要不同參照不同系統(tǒng)的要求。 選擇不適當(dāng)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致晶振不起振。系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，一般有以下三大原因： 1、選型：物料參數(shù)選型錯(cuò)誤導(dǎo)致晶振不起振 A、等效負(fù)載需要6PF而選擇了15PF； B、頻率誤差（ppm）太大，導(dǎo)致實(shí)際頻率偏移標(biāo)稱頻率從而引起晶振不起振； C、負(fù)性阻抗過大太小都會(huì)導(dǎo)致晶振不起振（調(diào)節(jié)外接電容，如圖3中C1 C2，一般而言，負(fù)性阻抗值應(yīng)滿足不少于晶振標(biāo)稱最大阻抗3-5倍。負(fù)性阻抗過大，可以將晶振外接電容Cd和Cg的值調(diào)大來降低負(fù)性阻抗）； 圖3 D、激勵(lì)電平過大或者過小導(dǎo)致晶振不起振；（通過調(diào)整電路中的Rd的大小來調(diào)節(jié)振蕩電路對晶振輸出的激勵(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)。） 2、 質(zhì)量：晶振制造問題 A、內(nèi)部水晶片破裂或損壞導(dǎo)致不起振 B、晶振內(nèi)部水晶片上附有雜質(zhì)或者塵埃等導(dǎo)致晶振不起振 3.使用 A、 焊接時(shí)溫度過高或時(shí)間過長，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 B、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 C、EMC問題導(dǎo)致晶振不起 當(dāng)使用時(shí)發(fā)現(xiàn)晶振不起振，一般從以上三點(diǎn)找原因即可，若出現(xiàn)停振，則要看看是否發(fā)燙，從而可能是激勵(lì)電平過高的原因；抑或是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始工作，則一般原因?yàn)檎袷庪娐分械呢?fù)性阻抗值太小，需要調(diào)整晶振外接電容Cd和Cg的值來達(dá)到滿足振蕩電路的回路增益。