晶振的選型考量和失效分析

2019-11-13

01

晶振的分類(lèi)應用

晶振分類(lèi)雖然多種多樣,但是晶振的作用無(wú)非是以下2種:

1. 為系統提供基本的時(shí)鐘信號。

一個(gè)系統共用一個(gè)晶振,便于各部分保持同步(有些通訊系統的基頻和射頻雖然使用不同的晶振,但是通過(guò)電子調頻保持同步)。

2. 與鎖相環(huán)電路配合使用,以提供系統所需的時(shí)鐘頻率(如果不同子系統需要不同頻率的時(shí)鐘信號,可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供)。


結合應用場(chǎng)景中系統的需求,來(lái)看需要的是各個(gè)參數已定的直接應用的晶振,還是根據調試需求去匹配阻容調試的晶體。


在以前的文章中,也說(shuō)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)頻率的距離相當的接近,在這個(gè)極窄的頻率范圍內,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)負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路(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(lè )高一樣,不同的配置和組合決定了振蕩器不同的參數和特點(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(shuō)晶振是是數字電路的心臟,也因此是數字電路不可能不需要晶振。雖然處處可見(jiàn)無(wú)處不在,但筆者將晶振的應用分為常見(jiàn)的六大類(lèi):消費電子、智能家居、網(wǎng)絡(luò )通信、汽車(chē)電子、醫療系統、工業(yè)控制。(航天航空產(chǎn)品有著(zhù)更高的要求,在此不論)

表格 2 晶振的應用領(lǐng)域一覽

對于表格2的各個(gè)應用中,如何選型,標準是什么,我們需要從兩個(gè)方面來(lái)擴展,分別是一般選型標準,和這些應用領(lǐng)域的具體要求。


一般晶振的基本參數我們在上一篇文章中已然說(shuō)過(guò),具體到工程師如何設計便是結合晶振的主要參數來(lái)看,主要有以下幾個(gè)參數:

1、輸出頻率 

2、頻率穩定性

振蕩器的穩定性可簡(jiǎn)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中驅動(dòng)的負載。

最常見(jiàn)的輸出之一是CMOS即以驅動(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(lèi)型。如果振蕩器用于驅動(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(lái)說(shuō),根據參數和具體應用場(chǎng)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,這就需要權衡諸如穩定度、工作溫度范圍、晶體老化效應、相位噪聲、成本等多方面因素,從成本和產(chǎn)品壽命兩個(gè)方面權衡考慮。




02

如何就不同的應用選擇晶振

目前對于一些使用晶振的場(chǎng)合和系統,已經(jīng)有很大一部分形成了專(zhuān)用標準,頻點(diǎn)首當其沖,此外的影響參數如溫漂等都在不同應用(如表二)中有不同規格的具體區分。

圖 2 HKC在消費電子、通信領(lǐng)域的客戶(hù)

消費電子領(lǐng)域,手機使用24MHZ居多,NFC技術(shù)使用13.56MHz、27.120MHz,對講機使用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(pán)、鼠標、攝像頭、藍牙等使用6-12MHZ的晶振。


家居領(lǐng)域,空調使用32.768KHZ、4.000MHZ和4.194304MHZ等晶振,機頂盒使用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(chǎng)電路的振蕩源,經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻,其穩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(通信系統產(chǎn)品中,石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現,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用于通信網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)數據傳輸、高速數字數據傳輸等)。


晶振必不可少,選用的種類(lèi)和標準也及其多,比如HKC公司就具有KHZ、MHZ、XO、TCXO、GNSSDO等產(chǎn)品線(xiàn)上百種晶體,涉及自動(dòng)駕駛、汽車(chē)娛樂(lè )模塊、車(chē)身控制模塊、藍牙、通用、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、遙控器、汽車(chē)遙控鑰匙、數字視頻轉換盒、系統芯片、無(wú)線(xiàn)胎壓監測、Wi-Fi、Wi-Fi 6等多種應用場(chǎng)合。與TI、NXP、MTK、LFC、Nordic等數十個(gè)綜合芯片設計公司有合作。


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系統進(jìn)行了大量匹配,是可靠的系統心臟。


03

晶振失效解析

晶振的好壞直接關(guān)系整個(gè)系統的穩定性,故如何選擇一顆晶振,怎么看晶振的主要參數,是工程師的必修課,參數的選擇關(guān)系到系統的穩定運行,具體選擇不僅僅需要對晶振參數的詳細把控,也要不同參照不同系統的要求。


選擇不適當時(shí)可能會(huì )導致晶振不起振。系統無(wú)法正常運行,一般有以下三大原因:

1、選型:物料參數選型錯誤導致晶振不起振

A、等效負載需要6PF而選擇了15PF;

B、頻率誤差(ppm)太大,導致實(shí)際頻率偏移標稱(chēng)頻率從而引起晶振不起振;

C、負性阻抗過(guò)大太小都會(huì )導致晶振不起振(調節外接電容,如圖3中C1 C2,一般而言,負性阻抗值應滿(mǎn)足不少于晶振標稱(chēng)最大阻抗3-5倍。負性阻抗過(guò)大,可以將晶振外接電容Cd和Cg的值調大來(lái)降低負性阻抗);

 圖3

D、激勵電平過(guò)大或者過(guò)小導致晶振不起振;(通過(guò)調整電路中的Rd的大小來(lái)調節振蕩電路對晶振輸出的激勵電平。一般而言,激勵電平越小越好,處理功耗低之外,還跟振蕩電路的穩定性和晶振的使用壽命有關(guān)。)

2、 質(zhì)量:晶振制造問(wèn)題

A、內部水晶片破裂或損壞導致不起振

B、晶振內部水晶片上附有雜質(zhì)或者塵埃等導致晶振不起振

3.使用

A、 焊接時(shí)溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(cháng),導致晶振內部電性能指標出現異常而引起晶振不起振

B、儲存環(huán)境不當導致晶振電性能惡化而引起不起振

C、EMC問(wèn)題導致晶振不起

當使用時(shí)發(fā)現晶振不起振,一般從以上三點(diǎn)找原因即可,若出現停振,則要看看是否發(fā)燙,從而可能是激勵電平過(guò)高的原因;抑或是晶振在工作逐漸出現停振現象,用手碰觸或者用電烙鐵加熱晶振引腳又開(kāi)始工作,則一般原因為振蕩電路中的負性阻抗值太小,需要調整晶振外接電容Cd和Cg的值來(lái)達到滿(mǎn)足振蕩電路的回路增益。