我們常把晶振比喻為數(shù)字電路的心臟，這是因?yàn)?，?shù)字電路的所有工作都離不開(kāi)時(shí)鐘信號(hào)，晶振直接控制著整個(gè)系統(tǒng)，若晶振不運(yùn)作那么整個(gè)系統(tǒng)也就癱瘓了，所以晶振是決定了數(shù)字電路開(kāi)始工作的先決條件。

我們常說(shuō)的晶振，是石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器兩種，他們都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。在石英晶體的兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形，反之，如果在晶體兩側(cè)施加機(jī)械壓力就會(huì)在晶體上產(chǎn)生電場(chǎng)。并且，這兩種現(xiàn)象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側(cè)施加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。這種震動(dòng)和電場(chǎng)一般都很小，但是在某個(gè)特定頻率下，振幅會(huì)明顯加大，這就是壓電諧振，類(lèi)似于我們常見(jiàn)到的LC回路諧振。

作為數(shù)字電路中的心臟，晶振在智能產(chǎn)品中是如何發(fā)揮作用的呢？以智能家居如空調(diào)、窗簾、安防、監(jiān)控等產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，都需要無(wú)線傳輸模塊，它們通過(guò)藍(lán)牙、WIFI或ZIGBEE等協(xié)議，將模塊從一端發(fā)到另一端，或直接通過(guò)手機(jī)控制，而晶振就是無(wú)線模塊里的核心元件，影響著整系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以選擇好系統(tǒng)使用的晶振，決定了數(shù)字電路的成敗。

由于晶振在數(shù)字電路中的重要性，在使用和設(shè)計(jì)的時(shí)候我們需要小心處理：

1、晶振內(nèi)部存在石英晶體，受到外部撞擊或跌落時(shí)易造成石英晶體斷裂破損，進(jìn)而造成晶振不起振，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮晶振的可靠安裝，其位置盡量不要靠近板邊、設(shè)備外殼等。

2、在手工焊接或機(jī)器焊接時(shí)，要注意焊接溫度。晶振對(duì)溫度比較敏感，焊接時(shí)溫度不能過(guò)高，并且加熱時(shí)間盡量短?

合理的晶振布局可以抑制系統(tǒng)輻射干擾

一、問(wèn)題描述

該產(chǎn)品為野外攝像機(jī)，內(nèi)分核心控制板、sensor 板、攝像頭、SD 存儲(chǔ)卡和電池五部分組成，外殼為塑膠殼，小板僅有兩個(gè)接口：DC5V 外接電源接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB 接口。經(jīng)過(guò)輻射測(cè)試發(fā)現(xiàn)有33MHz 左右的諧波雜訊輻射問(wèn)題。

原始測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

二、分析問(wèn)題

該產(chǎn)品外殼結(jié)構(gòu)塑膠外殼，是非屏蔽材料，整機(jī)測(cè)試只有電源線和USB 線引出殼體，難道干擾頻點(diǎn)是由電源線和USB 線輻射出來(lái)的嗎？故分別作了一下幾步測(cè)試：

( 1 ) 僅在電源線上加磁環(huán)，測(cè)試結(jié)果：改善不明顯；

( 2 ) 僅在USB 線上加磁環(huán)，測(cè)試結(jié)果：改善仍然不明顯；

( 3 ) 在USB 線和電源線都加磁環(huán)，測(cè)試結(jié)果：改善較明顯，干擾頻點(diǎn)整體有所下降。

從上可得，干擾頻點(diǎn)是從兩個(gè)接口帶出來(lái)的，并非是電源接口或USB 接口的問(wèn)題，而是內(nèi)部干擾頻點(diǎn)耦合到這兩個(gè)接口所導(dǎo)致的，僅屏蔽某一接口不能解決問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)近場(chǎng)量測(cè)發(fā)現(xiàn)，干擾頻點(diǎn)來(lái)之于核心控制板的一個(gè)32.768KHz 的晶振，產(chǎn)生很強(qiáng)的空間輻射，使得周?chē)淖呔€和GND 都耦合了32.768KHz 諧波雜訊，再通過(guò)接口USB 線和電源線耦合輻射出來(lái)。而該晶振的問(wèn)題在于以下兩點(diǎn)問(wèn)題所導(dǎo)致的：

( 1 ) 晶振距離板邊太近，易導(dǎo)致晶振輻射雜訊。

( 2 ) 晶振下方有布信號(hào)線，，這易導(dǎo)致信號(hào)線耦合晶振的諧波雜訊。

( 3 ) 濾波器件放在晶振下方，且濾波電容與匹配電阻未按照信號(hào)流向排布，使得濾波器件的濾波效果變差。

三、解決對(duì)策

根據(jù)分析得出以下對(duì)策：

（1）晶體的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優(yōu)先放置，遠(yuǎn)離板邊；

（2）切記不能在晶體擺放區(qū)域和下方投影區(qū)內(nèi)布地；

（3）晶體的濾波電容與匹配電阻按照信號(hào)流向排布，且靠近晶體擺放整齊緊湊；

（4）晶體靠近芯片處擺放，兩者間的走線盡量短而直。

可以參考如下圖布局方式：

經(jīng)整改后，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果如下：

四、結(jié)論

現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振時(shí)鐘頻率高，干擾諧波能量強(qiáng)；干擾諧波除了從其輸入與輸出兩條走線傳導(dǎo)出來(lái)，還會(huì)從空間輻射出來(lái)，若布局不合理，容易造成很強(qiáng)的雜訊輻射問(wèn)題，而且很難通過(guò)其他方法來(lái)解決，因此在PCB 板布局時(shí)對(duì)晶振和CLK 信號(hào)線布局非常重要。

晶振的PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳，位置擺放順序：按電源流入方向，依容值從大到小依次擺放，容值最小的電容最靠近電源引腳。

（2）晶振的外殼必須接地，可以晶振的向外輻射，也可以屏蔽外來(lái)信號(hào)對(duì)晶振的干擾。

（3）晶振下面不要布線，保證完全鋪地，同時(shí)在晶振的300mil范圍內(nèi)不要布線，這樣可以防止晶振干擾其他布線、器件和層的性能。

（4）時(shí)鐘信號(hào)的走線應(yīng)盡量短，線寬大一些，在布線長(zhǎng)度和遠(yuǎn)離發(fā)熱源上尋找平衡。

（5）晶振不要放置在PCB板的邊緣，在板卡設(shè)計(jì)時(shí)尤其注意該點(diǎn)。

晶振與晶體的區(qū)別

1) 晶振是有源晶振的簡(jiǎn)稱(chēng)，又叫振蕩器。英文名稱(chēng)是oscillator。晶體則是無(wú)源晶振的簡(jiǎn)稱(chēng)，也叫諧振器。英文名稱(chēng)是crystal.
2) 晶體（無(wú)源）一般是直插兩個(gè)腳的無(wú)極性元件，需要借助時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)。常見(jiàn)的有49U、49S封裝。
3) 晶振（有源）一般是表貼四個(gè)腳的封裝，內(nèi)部有時(shí)鐘電路，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號(hào)。一般分7050、5032、3225、2520幾種封裝形式。

MEMS硅晶振與石英晶振區(qū)別

MEMS硅晶振采用硅為原材料，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝制造而成。因此在高性能與低成本方面，有明顯于石英的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下方面：
1) 全自動(dòng)化半導(dǎo)體工藝（芯片級(jí)），無(wú)氣密性問(wèn)題，永不停振。
2) 內(nèi)部包含溫補(bǔ)電路，無(wú)溫漂，-40—85℃全溫保證。
3) 平均無(wú)故障工作時(shí)間5億小時(shí)。
4) 抗震性能25倍于石英振蕩器。
5) 支持1-800MHZ任一頻點(diǎn)，精確致小數(shù)點(diǎn)后5位輸出。
6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多種工作電壓匹配。
7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各種精度匹配。
8) 支持7050、5032、3225、2520所有標(biāo)準(zhǔn)尺寸封裝。
9) 標(biāo)準(zhǔn)四腳、六腳封裝，無(wú)需任何設(shè)計(jì)改動(dòng)，直接替代石英振蕩器。
10) 支持差分輸出、單端輸出、壓控（VCXO）、溫補(bǔ)(TCXO)等產(chǎn)品種類(lèi)。
11) 300%的市場(chǎng)增長(zhǎng)率，三年內(nèi)有望替代80%以上的石英振蕩器市場(chǎng)。

晶體諧振器的等效電路

上圖是一個(gè)在諧振頻率附近有與晶體諧振器具有相同阻抗特性的簡(jiǎn)化電路。其中：C1為動(dòng)態(tài)電容也稱(chēng)等效串聯(lián)電容；L1為動(dòng)態(tài)電感也稱(chēng)等效串聯(lián)電感；R1為動(dòng)態(tài)電阻也稱(chēng)等效串聯(lián)電阻；C0為靜態(tài)電容也稱(chēng)等效并聯(lián)電容。

這個(gè)等效電路中有兩個(gè)最有用的零相位頻率，其中一個(gè)是諧振頻率(Fr)，另一個(gè)是反諧振頻率(Fa)。當(dāng)晶體元件實(shí)際應(yīng)用于振蕩電路中時(shí)，它一般還會(huì)與一負(fù)載電容相聯(lián)接，共同作用使晶體工作于Fr和Fa之間的某個(gè)頻率，這個(gè)頻率由振蕩電路的相位和有效電抗確定，通過(guò)改變電路的電抗條件，就可以在有限的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)晶體頻率。

關(guān)鍵參數(shù)

1 標(biāo)稱(chēng)頻率

指晶體元件規(guī)范中所指定的頻率，也即用戶(hù)在電路設(shè)計(jì)和元件選購(gòu)時(shí)所希望的理想工作頻率。

2 調(diào)整頻差

基準(zhǔn)溫度時(shí)，工作頻率相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)頻率的最大允許偏離。常用ppm表示

如果ppm換算成百分號(hào)“%”為：1ppm=0.0001%。

但在大多數(shù)科技期刊中，已經(jīng)不使用ppm，而改用千分號(hào)“‰”，ppm換算成‰為：1ppm=0.001‰。

ppm是指part per million，同理b,t分別表示billion和trillion。

即1ppm=10^-6數(shù)量級(jí),類(lèi)似的還有ppb,ppt等,分別是-9次和-12次。

3 溫度頻差
在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作頻率相對(duì)于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的允許偏離。常用ppm表示。

4 老化率
指在規(guī)定條件下，由于時(shí)間所引起的頻率漂移。這一指標(biāo)對(duì)精密晶體是必要的，但它“沒(méi)有明確的試驗(yàn)條件，而是由制造商通過(guò)對(duì)所有產(chǎn)品有計(jì)劃抽驗(yàn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)督的，某些晶體元件可能比規(guī)定的水平要差，這是允許的”（根據(jù)IEC的公告）。老化問(wèn)題的最好解決方法只能靠制造商和用戶(hù)之間的密切協(xié)商。

5 諧振電阻（Rr）
指晶體元件在諧振頻率處的等效電阻，當(dāng)不考慮C0的作用，也近似等于所謂晶體的動(dòng)態(tài)電阻R1或稱(chēng)等效串聯(lián)電阻(ESR)。這個(gè)參數(shù)控制著晶體元件的品質(zhì)因數(shù)，還決定所應(yīng)用電路中的晶體振蕩電平，因而影響晶體的穩(wěn)定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶體元件的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)。一般的，對(duì)于一給定頻率，選用的晶體盒越小，ESR的平均值可能就越高；絕大多數(shù)情況，在制造過(guò)程中并不能預(yù)計(jì)具體某個(gè)晶體元件的電阻值，而只能保證電阻將低于規(guī)范中所給的最大值。

6 負(fù)載諧振電阻（RL）

指晶體元件與規(guī)定外部電容相串聯(lián)，在負(fù)載諧振頻率FL時(shí)的電阻。對(duì)一給定晶體元體，其負(fù)載諧振電阻值取決于和該元件一起工作的負(fù)載電容值，串上負(fù)載電容后的諧振電阻，總是大于晶體元件本身的諧振電阻。

7 負(fù)載電容（CL）

與晶體元件一起決定負(fù)載諧振頻率FL的有效外界電容。晶體元件規(guī)范中的CL是一個(gè)測(cè)試條件也是一個(gè)使用條件，這個(gè)值可在用戶(hù)具體使用時(shí)根據(jù)情況作適當(dāng)調(diào)整，來(lái)微調(diào)FL的實(shí)際工作頻率（也即晶體的制造公差可調(diào)整）。但它有一個(gè)合適值，否則會(huì)給振蕩電路帶來(lái)惡化，其值通常采用10pF、15pF 、20pF、30pF、50pF、∝等，其中當(dāng)CL標(biāo)為∝時(shí)表示其應(yīng)用在串聯(lián)諧振型電路中，不要再加負(fù)載電容，并且工作頻率就是晶體的（串聯(lián)）諧振頻率Fr。用戶(hù)應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于某些晶體（包括不封裝的振子應(yīng)用），在某一生產(chǎn)規(guī)范既定的負(fù)載電容下（特別是小負(fù)載電容時(shí)），±0.5pF的電路實(shí)際電容的偏差就能產(chǎn)生±10×10-6的頻率誤差。因此，負(fù)載電容是一個(gè)非常重要的訂貨規(guī)范指標(biāo)。

8 靜態(tài)電容（C0）
等效電路靜態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積、晶片厚度和晶片加工工藝。

9 動(dòng)態(tài)電容（C1）
等效電路中動(dòng)態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積，另外還和晶片平行度、微調(diào)量的大小有關(guān)。

10 動(dòng)態(tài)電感（L1）
等效電路中動(dòng)態(tài)臂里的電感。動(dòng)態(tài)電感與動(dòng)態(tài)電容是一對(duì)相關(guān)量。

11 諧振頻率（Fr）

指在規(guī)定條件下，晶體元件電氣阻抗為電阻性的兩個(gè)頻率中較低的一個(gè)頻率。根據(jù)等效電路，當(dāng)不考慮C0的作用，F(xiàn)r由C1和L1決定，近似等于所謂串聯(lián)（支路）諧振頻率（Fs）。這一頻率是晶體的自然諧振頻率，它在高穩(wěn)晶振的設(shè)計(jì)中，是作為使晶振穩(wěn)定工作于標(biāo)稱(chēng)頻率、確定頻率調(diào)整范圍、設(shè)置頻率微調(diào)裝置等要求時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

12 負(fù)載諧振頻率（FL）

指在規(guī)定條件下，晶體元件與一負(fù)載電容串聯(lián)或并聯(lián)，其組合阻抗呈現(xiàn)為電阻性時(shí)兩個(gè)頻率中的一個(gè)頻率。在串聯(lián)負(fù)載電容時(shí)，F(xiàn)L是兩個(gè)頻率中較低的那個(gè)頻率；在并聯(lián)負(fù)載電容時(shí)，F(xiàn)L則是其中較高的那個(gè)頻率。對(duì)于某一給定的負(fù)載電容值(CL)，就實(shí)際效果，這兩個(gè)頻率是相同的；而且
這一頻率是晶體的絕大多數(shù)應(yīng)用時(shí)，在電路中所表現(xiàn)的實(shí)際頻率，也是制造廠商為滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品符合標(biāo)稱(chēng)頻率要求的測(cè)試指標(biāo)參數(shù)。

13 品質(zhì)因數(shù)（Q）
品質(zhì)因數(shù)又稱(chēng)機(jī)械Q值，它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù)，它與L1和C1有如下關(guān)系：
Q=wL1/R1=1/wR1C1
如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且還會(huì)導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定。反之Q值越高，頻率越穩(wěn)定。

14 激勵(lì)電平（Level of drive）
是一種用耗散功率表示的，施加于晶體元件的激勵(lì)條件的量度。所有晶體元件的頻率和電阻都在一定程度上隨激勵(lì)電平的變化而變化，這稱(chēng)為激勵(lì)電平相關(guān)性（DLD），因此訂貨規(guī)范中的激勵(lì)電平須是晶體實(shí)際應(yīng)用電路中的激勵(lì)電平。正因?yàn)榫w元件固有的激勵(lì)電平相關(guān)性的特性，用戶(hù)在振蕩電路設(shè)計(jì)和晶體使用時(shí)，必須注意和保證不出現(xiàn)激勵(lì)電平過(guò)低而起振不良或過(guò)度激勵(lì)頻率異常的現(xiàn)象。

15 激勵(lì)電平相關(guān)性（DLD）
由于壓電效應(yīng)，激勵(lì)電平強(qiáng)迫諧振子產(chǎn)生機(jī)械振蕩，在這個(gè)過(guò)程中，加速度功轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性能，功耗轉(zhuǎn)化為熱。后者的轉(zhuǎn)換是由于石英諧振子的內(nèi)部和外部的摩擦所造成的。
摩擦損耗與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度有關(guān)，當(dāng)震蕩不再是線性的，或當(dāng)石英振子內(nèi)部或其表面及安裝點(diǎn)的拉伸或應(yīng)變、位移或加速度達(dá)到臨界時(shí)，摩擦損耗將增加。因而引起頻率和電阻的變化。
加工過(guò)程中造成DLD不良的主要原因如下，其結(jié)果可能是不能起振：
1) 諧振子表面存在微粒污染。主要產(chǎn)生原因?yàn)樯a(chǎn)環(huán)境不潔凈或非法接觸晶片表面；
2) 諧振子的機(jī)械損傷。主要產(chǎn)生原因?yàn)檠心ミ^(guò)程中產(chǎn)生的劃痕。
3) 電極中存在微粒或銀球。主要產(chǎn)生原因?yàn)檎婵帐也粷崈艉湾兡に俾什缓线m。
4) 裝架是電極接觸不良；
5) 支架、電極和石英片之間存在機(jī)械應(yīng)力。

16 DLD2(單位：歐姆)

不同激勵(lì)電平下的負(fù)載諧振電阻的最大值與最小值之間的差值。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

17 RLD2(單位：歐姆)

不同激勵(lì)電平下的負(fù)載諧振電阻的平均值<與諧振電阻Rr的值比較接近，但要大一些>。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

18 寄生響應(yīng)
所有晶體元件除了主響應(yīng)（需要的頻率）之外，還有其它的頻率響應(yīng)。減弱寄生響應(yīng)的辦法是改變晶片的幾何尺寸、電極，以及晶片加工工藝，但是同時(shí)會(huì)改變晶體的動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)。
寄生響應(yīng)的測(cè)量
1) SPDB 用DB表示Fr的幅度與最大寄生幅度的差值；

2) SPUR 在最大寄生處的電阻；
3) SPFR 最小電阻寄生與諧振頻率的距離，用Hz或ppm表示。

晶體振蕩器的分類(lèi)

1 Package石英振蕩器（SPXO）

不施以溫度控制及溫度補(bǔ)償?shù)氖⒄袷幤鳌ｎl率溫度特性依靠石英振蕩晶體本身的穩(wěn)定性。

2 溫度補(bǔ)償石英振蕩器（TCXO）
附加溫度補(bǔ)償回路，減少其頻率因周?chē)鷾囟茸儎?dòng)而變化之石英振蕩器。

3 電壓控制石英振蕩器（VCXO）

控制外來(lái)的電壓，使輸出頻率能夠變化或調(diào)變的石英振蕩器。

4 恒溫槽式石英振蕩器（OCXO）

以恒溫槽保持石英振蕩器或石英振蕩晶體在一定溫度，控制其輸出頻率在周?chē)鷾囟认乱材鼙３謽O小變化量之石英振蕩器。

除了以上四種振蕩器外，隨著PLL、Digital、Memory技術(shù)的應(yīng)用，其他功能的多元化石英振蕩器也快速增加。