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对于在不同情况下晶振的失效原因进行总结和解析

2020年12月22日 15:59 次阅读

我们知道晶振有许多分类,主要分为无源晶振和有源晶振,无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来;有源晶振是一个完整的谐振振荡器。实际上就是说,无源晶振实际上应该叫做晶体,有源晶振正是我们常说的晶振。无源晶体没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的,同样的晶体可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的系统,而且价格通常也较低。有源晶振不需要处理器的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单,不需要复杂的配置电路。

因此,完整的谐振振荡器,就可以依照厂家或者设计者的需求,开发出不同的种类。可以按制作材料分类、按应用特性分类、按负载按驱动电路分类、按电容特性分类、按谐振频率精度分类、按晶振工作频率分类、按晶振的功能和实现技术分类等,作者在之前的文章中已经将分类方法和分类标准仔细介绍过。顺带着将其基本参数——核心频率(标称频率)、工作温度、精度值、等效串联阻抗、匹配电容、封装形式等等也一一介绍过。(晶振的基本性能)

今天我们主要就晶振的应用市场和应用方向,结合晶振的这些参数来展开。同时,对于在不同情况下晶振的失效原因也进行总结和解析。

01晶振的分类应用

晶振分类虽然多种多样,但是晶振的作用无非是以下2种:

1.为系统提供基本的时钟信号。一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步(有些通讯系统的基频和射频虽然使用不同的晶振,但是通过电子调频保持同步)。

2.与锁相环电路配合使用,以提供系统所需的时钟频率(如果不同子系统需要不同频率的时钟信号,可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供)。结合应用场景中系统的需求,来看需要的是各个参数已定的直接应用的晶振,还是根据调试需求去匹配阻容调试的晶体。

在以前的文章中,也说明了,晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,这个网络有两个谐振点,以频率的高低分,其中较低的频率是串联谐振,较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路(如图1)。

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图1晶振等效电路

所以,振荡器的实质都是一样的。就像玩乐高一样,不同的配置和组合决定了振荡器不同的参数和特点。如表一之中的五种振荡器便在精度、EMI特性、敏感温湿度、功耗等不一样,也因此应用于不同的产品有不同的优势。

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表格1不同振荡器的特点

既然说晶振是是数字电路的心脏,也因此是数字电路不可能不需要晶振。虽然处处可见无处不在,但笔者将晶振的应用分为常见的六大类:消费电子、智能家居、网络通信、汽车电子、医疗系统、工业控制。(航天航空产品有着更高的要求,在此不论)

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表格2晶振的应用领域一览

对于表格2的各个应用中,如何选型,标准是什么,我们需要从两个方面来扩展,分别是一般选型标准,和这些应用领域的具体要求。一般晶振的基本参数我们在上一篇文章中已然说过,具体到工程师如何设计便是结合晶振的主要参数来看,主要有以下几个参数:

1、输出频率

2、频率稳定性,振荡器的稳定性可简单地表述为:由于某些原因引起的频率变化除以中心频率。(即:稳定性=频率变化÷中心频率)

3、工作温度范围

4、输入电压和功率

5、输出波形

要选择输出波形以匹配振荡器将在系统中驱动的负载。最常见的输出之一是CMOS即以驱动逻辑电平输入(GND-VDD之间的方波)。差分方波(有两个180°异相输出、快速上升/下降时间、抖动小)通常在高于约100MHz的较高频率时使用。LVPECL和LVDS是最通用的类型。如果振荡器用于驱动RF组件、如混频器或其它具有50Ω输入阻抗的器件,则通常会指定某个功率级别的正弦波输出。

6、封装尺寸和外形,总体来说,根据参数和具体应用场景选型时一般都要留出一些余量,以保证产品的可靠性。选用规格较高的器件可以进一步降低失效概率。而要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理,这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素,从成本和产品寿命两个方面权衡考虑。

02如何就不同的应用选择晶振

对于一些使用晶振的场合和系统,已经有很大一部分形成了专用标准,频点首当其冲,此外的影响参数如温漂等都在不同应用(如表二)中有不同规格的具体区分。消费电子领域,手机使用24MHZ居多,NFC技术使用13.56MHz、27.120MHz,对讲机使用21.4MHZ、21.7MHZ;电脑中主板使用14.318MHz、32.768KHz,以及24.576MHz声卡晶振,25MHz网卡晶振,还有键盘、鼠标、摄像头、蓝牙等使用6-12MHZ的晶振。

家居领域,空调使用32.768KHZ、4.000MHZ和4.194304MHZ等晶振,机顶盒使用13.5MHZ、27MHZ、54MHZ(此前的电视技术,彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源,经1/3的分频得到15625Hz的行频,其稳定性和可靠性大为提高而且价格便宜,更换容易。)工控领域,安防系统常用12.000MHz、21.400MHz、18.9375MHz、19.069928MHz、28.375MHz、28.63636MHz、37.875MHz、13.560MHz、24.000MHz、12.270MHz等。

网络通信中使用12MHZ、16MHZ、26MHZ、32.768KHZ等等(通信系统产品中,石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现,同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等)。

晶振必不可少,选用的种类和标准也及其多,比如HKC公司就具有KHZ、MHZ、XO、TCXO、GNSSDO等产品线上百种晶体,涉及自动驾驶、汽车娱乐模块、车身控制模块、蓝牙、通用、物联网(IoT)、遥控器、汽车遥控钥匙、数字视频转换盒、系统芯片、无线胎压监测、Wi-Fi、Wi-Fi6等多种应用场合。与TINXP、MTK、LFC、Nordic等数十个综合芯片设计公司有合作。

与Nordic的nRF52810、TI的CC2541匹配了32MHZ、32.768KHZ;与TI的2564匹配了26MHZ、38.4MHZ、32.768KHZ、26MHZ;与高通的IPQ6000、IPQ8074进行匹配的96MHZ等,HKC的产品与不同的MCUDSP或者RF系统进行了大量匹配,是可靠的系统心脏。

03晶振失效解析

晶振的好坏直接关系整个系统的稳定性,故如何选择一颗晶振,怎么看晶振的主要参数,是工程师的必修课,参数的选择关系到系统的稳定运行,具体选择不仅仅需要对晶振参数的详细把控(晶振的基本性能),也要不同参照不同系统的要求。选择不适当时可能会导致晶振不起振。系统无法正常运行,一般有以下三大原因:

1、选型:物料参数选型错误导致晶振不起振

A、等效负载需要6PF而选择了15PF;

B、频率误差(ppm)太大,导致实际频率偏移标称频率从而引起晶振不起振;

C、负性阻抗过大太小都会导致晶振不起振(调节外接电容,如图3中C1C2,一般而言,负性阻抗值应满足不少于晶振标称最大阻抗3-5倍。负性阻抗过大,可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调大来降低负性阻抗);

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图3

D、激励电平过大或者过小导致晶振不起振;(通过调整电路中的Rd的大小来调节振荡电路对晶振输出的激励电平。一般而言,激励电平越小越好,处理功耗低之外,还跟振荡电路的稳定性和晶振的使用寿命有关。)

2、质量:晶振制造问题

A、内部水晶片破裂或损坏导致不起振

B、晶振内部水晶片上附有杂质或者尘埃等导致晶振不起振

3.使用

A、焊接时温度过高或时间过长,导致晶振内部电性能指标出现异常而引起晶振不起振

B、储存环境不当导致晶振电性能恶化而引起不起振

C、EMC问题导致晶振不起

当使用时发现晶振不起振,一般从以上三点找原因即可,若出现停振,则要看看是否发烫,从而可能是激励电平过高的原因;抑或是晶振在工作逐渐出现停振现象,用手碰触或者用电烙铁加热晶振引脚又开始工作,则一般原因为振荡电路中的负性阻抗值太小,需要调整晶振外接电容Cd和Cg的值来达到满足振荡电路的回路增益。

以上都是关于晶体或者晶振的应用与选择以及参数关注,而像HKC还具有的GNSSDO(高保持精度GNSS同步时钟),基本上都是模块式设计,一般应用于系统主板,可配合外置的卫星接收器或1PPS进行授时,具有极高的可靠性。

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