浅谈石英晶体谐振器选型及应用

图 3 音叉型石英晶体频率温度特性示例图
3.3.3 负载电容（CL） 负载电容在振荡回路中起二个作用，其一，是参与振荡，与石英晶体一起决定振荡器的工作频 率，通过调整负载电容，一般可以将振荡器的工作频率调到标称值；其二，起到稳频的作用，在通常 的振荡电路中即使去掉二个负载电容，依然能正常工作，但振荡回路容易受干扰。产品说明书中规定 的负载电容既是一个测试条件，也是一个使用条件，这个值可以根据具体电路做适当调整，负载电容 太大时杂散电容影响减小，但可调范围减小；负载电容小时可调范围增加，但杂散电容影响增加，抗 干扰能力差，负载电阻增加，甚至起振困难。振荡系统负载电容示意图参阅图 4。因振荡电路的负载 容量不同，晶体的频率会相应地产生变动，为了获得目标频率精度，必须使晶体与负载容量相匹配， 在使用时根据相应晶体的负载容量，将振荡电路的负载容量设定为与其相符，频率、负载电容特性示 列见图 5。
4. 晶体振荡电路布板基本规则
晶体振荡回路的布局及周边的布线直接关系到振荡电路、甚至整个系统工作的稳定性和可靠性， 故根据具体系统回路仔细、认真布板非常重要。
4.1 晶振回路布局要点 （1）：晶体摆放要尽可能靠近微处理器的 XIN、XOUT 引脚。 （2）：晶体周边最好不要放置大功率、发热元件。
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图 4：振荡系统示意图 负载电容： CL
Cg Cd Cos C Cg Cd
Cg、 Cd 为外部电容容值， Cos 为 IC 内的电容值， C 为电路板的电容值（2～6pF）
图 5：频率负载电容特性示列（32.768KHz，CL=7pF）
如何选择负载电容 Cg、Cd （1）：因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择负载电容容值。 （2）：在许可范围内，Cg、Cd 值越低越好。C 值偏大有利于振荡器的稳定，但会增加起振时间。 （3）：应使 Cd 值大于 Cg 值，这样可使上电时，加快晶振起振。 3.3.4 激励等级（DL） 石英晶体的激励等级可以按照晶体的各种工作状态下消耗电力、或按照电流等级来进行表 示（激励功率一般在 0.1uW~500uW 之间）。如果微处理器提供的激励等级相对于晶体要求的激励等级 过低，有可能导致晶体不能正常起振、或者出现偶尔不起振现象、或者在某些低温状态下不起振现 象；如果利用过大的激励功率使晶体工作，有可能产生频率不稳定，且长时间工作还有可能会导致石 英芯片破损的危险。故建议进行电路设计时确认所使用的激励等级不超过绝对最大激励等级，或者在 晶体的输入脚上串一个电阻（阻值一般为 5～100Ω）。 激励等级：DL=I Re 其中: Re 为晶振的等效电阻、Re=R1(1+C0/CL)
图 1：石英晶体等效电路
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其中 C0 为晶体与金属板之间的静电容，L1、C1 为压电谐振的等效参量，R1 为振动磨擦损耗的 等效电阻，用石英晶体谐振器及其等效电路，取代 LC 振荡器中构成谐振回路的电感（L）和电容 （C）元件，则很容易理解晶体振荡器的工作原理。
图 2：振荡电路示列
正常驱动晶振波形
3.3 关键参数选择
过分驱动晶振波形
振荡电路的大批量长期运行稳定性、可靠性取决于晶体振荡器与微处理器主要参数的最佳匹配与 最优化设计，关键参数包括：工作温度范围、调整偏差、温度偏差、负载电容、激励功率、等效电 阻、安全系数。
3.3.1 工作温度范围 设计者根据该系统运行过程中所处的最恶劣的环境温度选择晶体的工作温度等级，考虑到器件、 系统的离散性、年老化率，适当留有一定的余量（±10℃）；但同时还要分析成本因素，选择适合于 应用环境下性价比最优的晶体。
3.2 如何判断晶体是否被过分驱动 电阻Rd常用来防止晶体被过分驱动。过分驱动晶体会渐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频 率的上升。可用一台示波器检测OSC输出脚，如果检测一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下 限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰，波谷两端被削平，而 使波形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻Rd来防止晶振被过分驱动。判断电阻Rd值大 小的最简单的方法就是串联一个可调电阻，从 0 开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。通过 此办法就可以找到最接近的电阻Rd值。
3.3.6 负载电阻及安全系数（SF） 负载电阻是指串联在晶振回路的、能够使该振荡回来稳定工作（振荡波形没有发生畸变）的最大 电阻值，即图 6 中的 RQ。负载电阻与等效电阻的比值即为安全系数，计算公式为： 安全系数
SF
RQ max ESR ESR
为了使石英晶体在振荡电路中可以稳定地发生振荡，振荡回来的安全系数必须具有充分大的容 量，建议设计时 SF 大于 5，具体参见下表。
浅谈石英晶体谐振器选型及应用
威胜集团三相表开发部 任智仁
石英晶振谐振器（本文简称石英晶体）在嵌入式系统中的作用如同人的心脏，其重要性不言而 喻，故在硬件电路设计时选择晶振一定要慎重，不但要根据具体电路认真选择各项标称指标（需求不 同、各指标侧重点不同）、而且要根据所选微处理器的激励功率、等效电阻 ESR、负载阻抗、安全系 数选择晶振以求达到晶振与各 MCU 的最佳匹配，提高整个系统的性价比和可靠性。 晶体的选择是否合理、是否与 MCU 达到最佳匹配、最优化设计，不但需要通过大量实验室的测 试，而且还需要通过长时间、大批量的生产、运行稳定性的数据来验证。通过此次国网单相表计量芯 片与选择的晶体未能达到最优化设计，以致在大批量生产时出现个别晶振偶尔不起振（概率约为 0.1 ％）现象，惭愧之余深有感受，特做如下总结，以供各位同行在设计时借鉴。 1. 石英晶振谐振器的结构及工作原理 石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体振荡器是由品质因素极 高的石英晶体振子（即谐振器）和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形 式等，共同决定振荡器的性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为 4 类：普通晶体振荡 （TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡 （OCXO）。目前发展中的还有数字补偿式晶体振荡器（DCXO）等。普通晶体振荡器（SPXO）可产生 10^(-5)～10^(-4)量级的频率精度，标准频率 1—100MHZ，频率稳定度是±100ppm。SPXO 没有采用任 何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件，本文主要针对该类器件进行介绍。 石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO 主要是由 品质因数（Q）很高的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器 中的重要元件，晶体的频率（基频或 n 次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。 石英晶体谐振器的基本结构、（金属壳）封装及其等效电路如图 1 所示。 只要在晶体振子板极上施 加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐 振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。石英晶体等效电路及振 荡电路如图 1、2 所示：
图 7：晶体覆铜示例 （3）：不允许在晶体回路周围、及其底下走信号线（特别是数字信号线），并且应该覆铜，且晶振 尽可能平放在电路板上，而不应该竖放。
（4）：晶体外壳最好可靠接地。
5. 石英晶体的焊接方法及主意事项
5.1 焊接方法 回流焊接的温度条件如下图 8 所示
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图 8：晶体焊接条件示例（260 峰值：无铅产品） 5.2 冲洗清洁 对于音叉型晶体由于采用小型、薄型的晶振芯片、以及相对而言频率与超声波清洁器相近， 所以由于共振容易受到破坏，所以请不要用超声波清洁器来冲洗晶体（对于其它晶振一般不做特 殊要求）。
3.3.2 调整偏差、温度偏差 根据所设计系统的用途、技术指标来选择晶体的调整偏差、温度偏差。如果该系统对晶体的 初始精度、温度长期稳定性要求比较高，选择晶体时就要重点关注被选择晶体技术手册上的调整偏 3 2010 年 3 月 8 日
差、温度偏差等技术指标，譬如时钟系统、电表的计量部分等，但这二个指标的高低涉及到晶体的价 格，故如何选择性价比最高的晶体至关重要，图 3 为音叉型石英晶体频率温度特性示例图 （32.768KHz）。
安全系数 SF SF<2 2≤SF<3 3≤SF<5 5≤S 可靠 非常可靠
安全系数评估测试方法：如图 6 所示，在晶振回路串联可调电阻 RQ，确认振荡回路稳定工作，然 后缓慢上调 RQ 的阻值，直到振荡回路停止，此时串联的电阻值即为 RQmax。
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3. 石英晶体谐振器及关键参数评估
3.1 如何选择晶体 对于一个高可靠性的系统设计，晶体的选择非常重要，尤其设计带有睡眠唤醒(往往用低电压以 求低功耗)的系统。这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就 不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，原因时上电时电路有足够的扰动，很容易建立振 荡。在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。在振荡回路中，晶体既不能 过激励(容易振到高次谐波上)也不能欠激励(不容易起振)。
2. 石英晶振谐振器主要参数 A) 标称频率：晶体元件技术规范中规定的频率，通常标识在产品外壳上，它与晶体元件的实际工作 频率有一定的差值。 B) 工作频率：晶体元件与其电路一起产生的震荡频率。 C) 调整频差：在规定条件下，基准温度（25℃±2℃）时工作频率相对于标称频率所允许的最大偏 差。 D) 温度偏差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（25℃±2℃）时工作频率允许最大 偏差。 E) 等效电阻（ESR）：又称谐振电阻。在规定条件下，石英晶体谐振器不串联负载电容在谐振频率时 的电阻。 F) 负载谐振电阻（RL）：在规定条件下，石英晶体谐振器和负载电容串联后在谐振频率时的电阻。 G) 静电容（C0）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容。 H) 负载电容（CL）：从石英晶体谐振器插脚两端向振荡电路方向看进去的全部等效电容为该振荡器 加给石英晶体谐振器的负载电容。 I) 频率牵引灵敏度（RS）：为相对频率牵引范围对负载电容的变化率，即负载电容变化 1pF时频率相 对变化值，它反应改变负载电容时引起频率变化的灵敏度，也称频率可调性。 J) 激励电平：石英晶体谐振器工作时需要的有效功率。 K) 基频：在振动模式最低阶次的振动频率。 L) 泛音：晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电器 谐波的主要区别。泛音振动有 3 次泛音，5 次泛音，7 次泛音，9 次泛音等。