一、概述

晶振是有源晶振的簡稱，又叫振蕩器。英文名稱是oscillator。

晶體則是無源晶振的簡稱，也叫諧振器。英文名稱是crystal，電路上簡稱為XTAL。

無源晶振（晶體）：需要借助時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號。

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。

有源晶振內(nèi)部是包含了一個(gè)無源晶振，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，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。

振動模式(Mode of Oscillation)：按照切割工藝來劃分的。

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)所帶來的頻率偏差。通常有溫度要求的，要選用10ppm。

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

老化率：隨著使用時(shí)間，頻偏會加大。

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

英文簡稱：– R

單位符號：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表示（是提供功率的器件，相當(dāng)于激勵源）。

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 測試負(fù)阻方法：

量測負(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，觀測波形，持續(xù)將可變電阻調(diào)小到振蕩器開始振蕩波形正常后，關(guān)閉電源，再打開電源，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，即絕對值|-R|>5R。舉例來說：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大小；

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、激勵功率計(jì)算及測試

有兩種辦法可以用來計(jì)算晶振的激勵功率：

5.1 通過電流計(jì)算

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

5.2 通過電壓計(jì)算

電流IQ(RMS) = 2 π F x VRMS x Ctot，因此，可以通過電壓來計(jì)算激勵功率。通過示波器測量晶振引腳的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)品的高速器件就會與實(shí)驗(yàn)臺的參考接地板形成一定的電場，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)。

下圖左邊的電場被板子隔開，不會產(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輻射，造成EMC測試的遠(yuǎn)場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)際測試晶體頻偏沒有問題，這個(gè)寄生電容不影響到可靠性。

b）鄰近晶體的銅皮會產(chǎn)生熱，熱會影響到晶體的頻偏（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)過程中，功率比較大，WIFI模組上的溫度就比較高，就會導(dǎo)致WIFI模組上40MHz無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)阻電阻過小，導(dǎo)致概率開機(jī)有問題

某機(jī)器在可靠性開關(guān)機(jī)測試時(shí)，小概率的1%左右開不起來的現(xiàn)象。熱風(fēng)槍加熱測試，不開機(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，測試的負(fù)性阻抗由250歐姆，重新老化開關(guān)機(jī)測試，測試OK。

7.3、輻射超標(biāo)

某個(gè)產(chǎn)品在做EMC測試時(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；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?？煞乐闺姶艌鲞M(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)部電勢差為零，電場為零，電荷分布在籠體的表面。）