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                  晶振的選型考量和失效分析

                  2019-11-13

                  01

                  晶振的分類應用

                  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. 為系統提供基本的時鐘信號。

                  一個系統共用一個晶振,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,但是通過電子調頻保持同步)。

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


                  結合應用場景中系統的需求,來看需要的是各個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,也說明了,晶振在電氣上可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡,這個網絡有兩個諧振點,以頻率的高低分,其中較低的頻率是串聯諧振,較高的頻率是并聯諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當的接近,在這個極窄的頻率范圍內,晶振等效為一個電感,所以只要晶振的兩端并聯上合適的電容它就會組成并聯諧振電路。這個并聯諧振電路加到一個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,振蕩器的實質都是一樣的。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和特點。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品有不同的優勢。

                  表格 1 不同振蕩器的特點

                  既然說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。雖然處處可見無處不在,但筆者將晶振的應用分為常見的六大類:消費電子、智能家居、網絡通信、汽車電子、醫療系統、工業控制。(航天航空產品有著更高的要求,在此不論)

                  表格 2 晶振的應用領域一覽

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


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

                  1、輸出頻率 

                  2、頻率穩定性

                  振蕩器的穩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的負載。

                  最常見的輸出之一是CMOS即以驅動邏輯電平輸入(GND-VDD之間的方波)。差分方波(有兩個180°異相輸出、快速上升/下降時間、抖動?。┩ǔT诟哂诩s100MHz的較高頻率時使用。

                  LVPECL和LVDS是最通用的類型。如果振蕩器用于驅動RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件,則通常會指定某個功率級別的正弦波輸出。

                  6、封裝尺寸和外形

                  總體來說,根據參數和具體應用場景選型時一般都要留出一些余量,以保證產品的可靠性。選用規格較高的器件可以進一步降低失效概率。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,從成本和產品壽命兩個方面權衡考慮。




                  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合和系統,已經有很大一部分形成了專用標準,頻點首當其沖,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、通信領域的客戶

                  消費電子領域,手機使用24MHZ居多,NFC技術使用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網卡晶振,還有鍵盤、鼠標、攝像頭、藍牙等使用6-12MHZ的晶振。


                  家居領域,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,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格便宜,更換容易。);


                  工控領域,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。


                  網絡通信中使用12MHZ、16MHZ、26MHZ、32.768KHZ等等(通信系統產品中,石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現,同時也得到了更快的發展。許多高性能的石英晶振主要應用于通信網絡、無線數據傳輸、高速數字數據傳輸等)。


                  晶振必不可少,選用的種類和標準也及其多,比如HKC公司就具有KHZ、MHZ、XO、TCXO、GNSSDO等產品線上百種晶體,涉及自動駕駛、汽車娛樂模塊、車身控制模塊、藍牙、通用、物聯網(IoT)、遙控器、汽車遙控鑰匙、數字視頻轉換盒、系統芯片、無線胎壓監測、Wi-Fi、Wi-Fi 6等多種應用場合。與TI、NXP、MTK、LFC、Nordic等數十個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進行匹配的96MHZ等,HKC的產品與不同的MCU、DSP或者RF系統進行了大量匹配,是可靠的系統心臟。


                  03

                  晶振失效解析

                  晶振的好壞直接關系整個系統的穩定性,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。


                  選擇不適當時可能會導致晶振不起振。系統無法正常運行,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,導致實際頻率偏移標稱頻率從而引起晶振不起振;

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

                   圖3

                  D、激勵電平過大或者過小導致晶振不起振;(通過調整電路中的Rd的大小來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。)

                  2、 質量:晶振制造問題

                  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或者塵埃等導致晶振不起振

                  3.使用

                  A、 焊接時溫度過高或時間過長,導致晶振內部電性能指標出現異常而引起晶振不起振

                  B、儲存環境不當導致晶振電性能惡化而引起不起振

                  C、EMC問題導致晶振不起

                  當使用時發現晶振不起振,一般從以上三點找原因即可,若出現停振,則要看看是否發燙,從而可能是激勵電平過高的原因;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的值來達到滿足振蕩電路的回路增益。






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