晶體振蕩器，簡稱晶振，是數(shù)字電路的心臟。單片機最小系統(tǒng)中時鐘就必不可少。故而晶振幾乎在所有的應(yīng)用電路中都不可或缺的存在著，廣泛用于汽車電子、智能家居、數(shù)碼電子、安防設(shè)備、通訊設(shè)備等不同領(lǐng)域。

如圖一所示，晶振在電氣上可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點，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頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。

石英晶體振蕩器

以“石英晶體振蕩器”為例，石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。

石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。

晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型。無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫oscillator（振蕩器）。HKC的Clock Oscillator產(chǎn)品覆蓋了車規(guī)級和工業(yè)級，輸出有LVPECL和CMOS兩種，既有KHZ產(chǎn)品，也有MHZ產(chǎn)品。

無源晶振需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來。有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。

諧振振蕩器分類方法多種多樣：

按制作材料分類：可分為石英晶振和陶瓷晶振。按應(yīng)用特性分類：可分為串聯(lián)諧振型晶振和并聯(lián)諧振型晶振。按負(fù)載按驅(qū)動電路分類：可分為晶振諧振器（加驅(qū)動電路產(chǎn)生頻率信號）和晶振振蕩器（加只加電壓就產(chǎn)生頻率信號）。按電容特性分類：可分為低負(fù)載電容型晶振和高負(fù)載電容型晶振。按封裝形式分類：可分為玻璃真空密封型晶振、金屬殼封裝型晶振、陶瓷封裝型及塑料殼裝型晶振。按諧振頻率精度分類：可分為高精度型晶振、中精度型晶振及普通型晶振。

按晶振工作頻率分類：可分為KHZ 晶振與MHZ晶振。KHZ一般為32.768KHZ的晶振，多為貼片式封裝，不過也有例外。比如相關(guān)HKC的KHZ晶振便有插件封裝的28-80KHZ,28-100KHZ晶振。在HKC旗下，MHZ的晶振則更細(xì)分為Ceramic SMD Crystal、Glass Frit SMD Crystal、Hybrid SMD Crystal、Metal Can Crystal，對應(yīng)于工業(yè)級與車規(guī)級應(yīng)用，專業(yè)更細(xì)致。

除去以上的分類方式，還有一種較為細(xì)致的分類。IEC將石英晶體振蕩器分為4類，按晶振的功能和實現(xiàn)技術(shù)分類：普通晶體振蕩（TCXO），壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。

普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。

壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。溫度補償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補償，頻率精度達(dá)到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場合。

恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點是功耗大、體積大。主要用于各種類型的通信設(shè)備，手機、PS接收機、電臺、數(shù)字電視及軍工設(shè)備等領(lǐng)。

HKC在高保持精度 GNSS 同步時鐘方面頗有建樹，如圖三所示比如基于TCXO類型有多種設(shè)計，發(fā)展了KStar 50M-GNSS —— GNSS馴服振蕩器模組(TCXO參考源)，模塊式設(shè)計內(nèi)置GNSS多系統(tǒng)接收模塊，鎖定模式下，頻率準(zhǔn)確度?≤ ±1E-12，提供可編程頻率源輸出，可應(yīng)用于系統(tǒng)主板。

再如KStar 100 —— GNSS 馴服振蕩器（一體化設(shè)計的頻率源及時間標(biāo)準(zhǔn)），內(nèi)置GNSS多系統(tǒng)接收模塊及高穩(wěn)OCXO，鎖定模式下，頻率準(zhǔn)確度?≤ ±1E-12保持模式下，在24小時內(nèi)及溫度變化少于20?C時，時間穩(wěn)定性 ≤ ±1.5us。

晶振在完整的電路中必不可少，是一個系統(tǒng)的核心器件，晶振的好壞直接關(guān)系整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故而，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。以晶體諧振器作為主要例子。一般晶振的主要參數(shù)有：核心頻率（標(biāo)稱頻率）、工作溫度、精度值、等效串聯(lián)阻抗、匹配電容、封裝形式等等。

晶振的核心頻率：一般核心頻率的選擇取決于頻率需求元件的要求，比如時鐘芯片就需要32.768KHz的晶振，MCU一般是一個范圍，基本上從4M到幾十M都有。標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000MHz以上，也有的沒有標(biāo)稱頻率。

晶振的工作溫度：之所以把工作溫度單獨拿出來，主要是由于晶振是個物理的器件，工作溫度與價格是成正比，工作溫度要求越高，價格越高，所以選擇晶振時也需要重點考慮工作溫度。

晶振的精度值：精度一般常見的有0.5ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±50ppm等等。其中0.5ppm國內(nèi)的目前只有通過數(shù)字補償?shù)牟拍茏龅?，國外的有?225甚至2016上實現(xiàn)高精度。精度的選擇一般要參考頻率需求器件對精度的要求，比如高精度的時鐘芯片一般在±5ppm以內(nèi)，普通的應(yīng)用都選擇在±20ppm左右。

晶振的等效串聯(lián)阻抗：這個參數(shù)主要是與驅(qū)動能力有關(guān)系，也就是說跟驅(qū)動電流有關(guān)系。等效電阻小則需要的驅(qū)動電流就小。對外部驅(qū)動電路的適應(yīng)能力就越高。

晶振的匹配電容：通過改變匹配電容的參數(shù)值，可以改變晶振的核心頻率，也就是說可以通過調(diào)整晶振的匹配電容來對精度做微調(diào)，這也是目前國內(nèi)做高精度溫補晶振的主要辦法。如圖4 C1、C2。

晶振的頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測量振蕩器頻率時，振蕩器頻率和時間之間的關(guān)系。這種長期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，因此，其頻率偏移的速率叫老化率，可用規(guī)定時限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時后），或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻率變化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））來表示。晶體老化是因為在生產(chǎn)晶體的時候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問題。應(yīng)力要經(jīng)過一段時間的變化才能穩(wěn)定，一種叫“應(yīng)力補償”的晶體切割方法（SC切割法）使晶體有較好的特性。

頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時間長的晶振比工作時間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。

在應(yīng)用晶振進(jìn)行電路設(shè)計時要注意，抗干擾設(shè)計——由于晶振是個小信號器件，很容易受到外部的干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)時鐘出現(xiàn)問題。所以設(shè)計時在layout上要注意晶振時鐘信號的處理，常用的是包地處理。一個是對板上其他頻率器件的處理，這個就需要做好不同頻率間的隔離處理。

當(dāng)產(chǎn)品放置于輻射發(fā)射的測試環(huán)境中時，被測產(chǎn)品的高速器件與實驗室中參考地會形成一定的容性耦合，產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致出現(xiàn)共模輻射，寄生電容越大，共模輻射越強；而寄生電容實質(zhì)就是晶體與參考地之間的電場分布，當(dāng)兩者之間電壓恒定時，兩者之間電場分布越多，兩者之間電場強度就越大，寄生電容也會越大，晶振在PCB邊緣與在PCB中間時電場分布大有不同，當(dāng)晶振布置在PCB中間，或離PCB邊緣較遠(yuǎn)時，由于PCB中工作地（GND）平面的存在，使大部分的電場控制在晶振與工作地之間，即在PCB內(nèi)部，分布到參考接地板的電場大大減小，導(dǎo)致輻射發(fā)射就降低了。如圖5所示，晶振放置于PCB邊緣，很容易產(chǎn)生寄生電容。將晶振內(nèi)移，使其離PCB邊緣至少1cm以上的距離，并在PCB表層離晶振1cm的范圍內(nèi)敷銅，同時把表層的銅通過過孔與PCB地平面相連。經(jīng)過修改后輻射發(fā)射會有明顯改善。

此外，在PCB加工時也需要注意：

1.由于晶振是個物理器件，在過回流焊的時候高溫可能會對晶振的頻率造成一定的影響，偏離核心頻率，這個在使用K級別晶振的時候需要特別注意。比如32.768khz的晶振。

2.清洗流程中的超聲波清洗，這個主要是超聲波頻率如果落在晶振的工作頻率上就可能引起晶振的共振，導(dǎo)致晶振內(nèi)部的晶片碎掉，出現(xiàn)不良。

使用過程中還需要注意的是，讓晶振工作在穩(wěn)定狀態(tài)，很多出現(xiàn)晶振失效的情況都是晶振長期工作在過驅(qū)動或者是欠驅(qū)動狀態(tài)。過驅(qū)動可能導(dǎo)致晶振達(dá)不到正常的使用壽命，欠驅(qū)動可能導(dǎo)致晶振的抗干擾能力減弱，系統(tǒng)常常無故丟時鐘。

在設(shè)計階段和使用階段都達(dá)到要求，才能使晶振工作更穩(wěn)定。當(dāng)然，選擇使人放心的產(chǎn)品是第一步，HKC的晶體產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車娛樂模塊、車身控制模塊、藍(lán)牙、通用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、遙控器、汽車遙控鑰匙、數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換盒、系統(tǒng)芯片、無線胎壓監(jiān)測、Wifi等領(lǐng)域，經(jīng)過無數(shù)產(chǎn)品和客戶的認(rèn)可。

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