我們知道晶振有許多分類(lèi)，主要分為無(wú)源晶振和有源晶振，無(wú)源晶振需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)；有源晶振是一個(gè)完整的諧振振蕩器。實(shí)際上就是說(shuō)，無(wú)源晶振實(shí)際上應(yīng)該叫做晶體，有源晶振正是我們常說(shuō)的晶振。無(wú)源晶體沒(méi)有電壓的問(wèn)題，信號(hào)電平是可變的，也就是說(shuō)是根據(jù)起振電路來(lái)決定的，同樣的晶體可以適用于多種電壓，可用于多種不同時(shí)鐘信號(hào)電壓要求的系統(tǒng)，而且價(jià)格通常也較低。有源晶振不需要處理器的內(nèi)部振蕩器，信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的配置電路。

因此，完整的諧振振蕩器，就可以依照廠(chǎng)家或者設(shè)計(jì)者的需求，開(kāi)發(fā)出不同的種類(lèi)。可以按制作材料分類(lèi)、按應(yīng)用特性分類(lèi)、按負(fù)載按驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)、按電容特性分類(lèi)、按諧振頻率精度分類(lèi)、按晶振工作頻率分類(lèi)、按晶振的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)分類(lèi)等，作者在之前的文章中已經(jīng)將分類(lèi)方法和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)仔細(xì)介紹過(guò)。順帶著將其基本參數(shù)——核心頻率（標(biāo)稱(chēng)頻率）、工作溫度、精度值、等效串聯(lián)阻抗、匹配電容、封裝形式等等也一一介紹過(guò)。(晶振的基本性能)

今天我們主要就晶振的應(yīng)用市場(chǎng)和應(yīng)用方向，結(jié)合晶振的這些參數(shù)來(lái)展開(kāi)。同時(shí)，對(duì)于在不同情況下晶振的失效原因也進(jìn)行總結(jié)和解析。

01晶振的分類(lèi)應(yīng)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(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。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(guò)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(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供）。結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景中系統(tǒng)的需求，來(lái)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(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(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(lè)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(shì)。

表格 1 不同振蕩器的特點(diǎn)

既然說(shuō)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(jiàn)無(wú)處不在，但筆者將晶振的應(yīng)用分為常見(jiàn)的六大類(lèi)：消費(fèi)電子、智能家居、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車(chē)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(duì)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(lái)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?cè)谏弦黄恼轮幸讶徽f(shuō)過(guò)，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(lái)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(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(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(jiàn)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(lèi)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(jí)別的正弦波輸出。

6、封裝尺寸和外形，總體來(lái)說(shuō)，根據(jù)參數(shù)和具體應(yīng)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(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

對(duì)于一些使用晶振的場(chǎng)合和系統(tǒng)，已經(jīng)有很大一部分形成了專(zhuān)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。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(duì)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(pán)、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(chǎng)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(wú)線(xiàn)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(lèi)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(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(lán)牙、通用、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、遙控器、汽車(chē)遙控鑰匙、數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換盒、系統(tǒng)芯片、無(wú)線(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)、Wi-Fi、Wi-Fi 6等多種應(yīng)用場(chǎng)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(duì)晶振參數(shù)的詳細(xì)把控（晶振的基本性能），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(wú)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(chēng)頻率從而引起晶振不起振；

C、負(fù)性阻抗過(guò)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(mǎn)足不少于晶振標(biāo)稱(chēng)最大阻抗3-5倍。負(fù)性阻抗過(guò)大，可以將晶振外接電容Cd和Cg的值調(diào)大來(lái)降低負(fù)性阻抗）；

圖3

D、激勵(lì)電平過(guò)大或者過(guò)小導(dǎo)致晶振不起振；（通過(guò)調(diào)整電路中的Rd的大小來(lái)調(diào)節(jié)振蕩電路對(duì)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(wèn)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(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(wèn)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(guò)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(kāi)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(lái)達(dá)到滿(mǎn)足振蕩電路的回路增益。

以上都是關(guān)于晶體或者晶振的應(yīng)用與選擇以及參數(shù)關(guān)注，而像HKC還具有的GNSSDO（高保持精度GNSS同步時(shí)鐘），基本上都是模塊式設(shè)計(jì)，一般應(yīng)用于系統(tǒng)主板，可配合外置的衛(wèi)星接收器或1PPS進(jìn)行授時(shí)，具有極高的可靠性。

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