晶振不迷茫

之所以寫這篇文章，是在做一個項目時發(fā)生了部分產(chǎn)品有時不晶振不起振的情況，小批100個，就發(fā)現(xiàn)有一兩個產(chǎn)品上電不工作，要再次上電才正常，為解決這個問題，拿這100個多次測試，發(fā)現(xiàn)是隨機(jī)的，有點摸不著頭腦，客戶訂單已下，催著交貨，搞得徹夜未眠!最后費(fèi)了九牛二虎之力才最終解決，得以產(chǎn)品的量產(chǎn)。這里總結(jié)一條鐵律：只要發(fā)現(xiàn)過的問題抱有僥幸心態(tài)而沒解決，量產(chǎn)時一定會找上門來，上帝似乎很公平，從來不會放過粗心的人!并且會善待仔細(xì)認(rèn)真的人!

下面從，晶振參數(shù)，MCU規(guī)格書與晶振下關(guān)的內(nèi)容，逐步說明晶振如何選型，原廠如何測試哪些參數(shù)，特殊情況如何處理，大家一起共同進(jìn)步!

目 錄
1.晶振選型主要參數(shù)
2.MCUdatasheet上與晶振相關(guān)的參數(shù)
3.晶振選型步驟
3.1.幾個重要的公式:
3.2.晶振選型步驟
4.晶振廠如何測試晶振
4.1.雜散電容計算
4.2.外掛電容的計算
4.3.驅(qū)動功率的計算
4.4.負(fù)性阻抗的計算
5. 特殊情況應(yīng)對

1.晶振選型主要參數(shù)

晶振規(guī)格書上的主要參數(shù):

1)頻率f

2)激勵功率DL

3)負(fù)載電容CL

4)精度ppm

5)等效串聯(lián)電阻ESR

6)等效串聯(lián)電容C1

7)等效并聯(lián)電容C0

規(guī)格外的參數(shù),負(fù)性阻抗:/-R/

截起EPSON規(guī)格書圖片如下:

2.MCUdatasheet上與晶振相關(guān)的參數(shù)

1)跨導(dǎo)(gm)

截起STM32L051C8T6規(guī)格書,如下圖:

3.晶振選型步驟

3.1.幾個重要的公式:

1)負(fù)載電容表達(dá)式:

負(fù)載電容是指與晶體振蕩器相連的電路中的所有電容。它的值取決于外接電容CL1、CL2，以及PCB和連接點上的雜散電容(Cs)。負(fù)載電容CL由晶體制造商指定。值得注意的是，若要得到精確的頻率，振蕩器電路的負(fù)載電容必須與所需要的值相等;若要頻率保持穩(wěn)定，則負(fù)載電容必須穩(wěn)定。外接電容CL1和CL2就是為了把負(fù)載電容調(diào)校為制造商所指定的CL值。

2)增益裕量:

增益裕量是一個關(guān)鍵參數(shù)，它決定著振蕩器是否能夠起振。

gm 是反向器的跨導(dǎo)(在高頻模塊中的單位是mA/V，在32KHz低頻模塊中的單位是μA/V)

gmcrit(gm 的臨界值)，取決于晶體的參數(shù)。假設(shè)CL1 = CL2，并且晶體上的負(fù)載電容與制造商的給定值完全一樣。

反向器的跨導(dǎo)(gm)的值必須滿足gm>
gmcrit，這是振蕩器能夠正常運(yùn)行的必要條件。通常認(rèn)為，增益裕量值為5是保證振蕩器有效起振的最小值。

3)驅(qū)動功率DL:

Drive Level = Irms2 * RL

RL=ESR*(1+C0/CL)2 (RL表示電抗:即阻抗，容抗和感抗的和)

驅(qū)動功率是指石英晶體單元的消耗功率，其單位是微瓦(μW)，可透過量測流經(jīng)石英晶體的電流，再換算求出它所消耗的功率。功率量測值應(yīng)該要小于個別晶體組件在規(guī)格上所定義的最大值。

一個振蕩線路在設(shè)計上必須提供適當(dāng)?shù)墓β剩宰屖⒕w單元開始起振并維持振蕩。

此功率應(yīng)該越小越好，除了能更為省電外，也和線路的安定性及石英晶體的壽命有關(guān)。振蕩線路若提供過高的驅(qū)動功率，也會使石英晶體的非線性特性發(fā)生變化，以及造成石英/電極/接著材料的接口惡化，進(jìn)而造成振蕩頻率和等效阻抗的過度變化。當(dāng)石英晶體長時間在過高的驅(qū)動功率下工作，會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。以32kHz
的石英晶體單元來說，當(dāng)驅(qū)動功率過大時，有可能導(dǎo)致內(nèi)部音叉型晶體的斷裂;對于MHz 等級的AT
型晶體來說，則可能產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象，并影響石英晶體的壽命及可靠度。

4)負(fù)性負(fù)抗:|-R|=Rs+RL

負(fù)性阻抗代表振蕩線路的起振余裕狀況，也就是這個線路的健康度，即石英晶體在驅(qū)動下容不容易被起振。負(fù)性阻抗并非真實發(fā)生的阻抗值，而是在石英晶體旁邊外加一個電阻(RS)，去仿真石英晶體內(nèi)部的ESR
被加大時，整個振蕩線路是否仍能被正常起振。負(fù)性阻抗的量測值越大越好，這表示此一振蕩線路越容易被起振;負(fù)性阻抗值不足時，則表示此一振蕩線路會有起振過慢的現(xiàn)象，甚至可能導(dǎo)致不起振的狀況發(fā)生。負(fù)性阻抗的判斷基本值是石英晶體最大ESR
值的3~5 倍。

3.2.晶振選型步驟

步驟一：計算增益裕量

選擇一個晶體，然后找到控制器的參考手冊(選擇晶體+微控制器數(shù)據(jù)手冊,)計算微控制器中振蕩器的增益裕量，查看它是否比5大:

例：，為某微控制器中g(shù)m值為25 mA/V的振蕩器做設(shè)計時，我們選擇了具有以下特性的石英晶體：frequency = 8 MHz，C0 = 7
pF，CL = 10 pF，ESR = 80，問此晶體是否可以用于此微控制器?(以上參數(shù)從晶振規(guī)格書取得)

我們首先計算一下gmcrit，

然后計算gainmargin，

可見，gainmargin值遠(yuǎn)大于5，滿足起振條件，能夠起動振蕩器。晶體能夠正常振蕩。

如果計算后發(fā)現(xiàn)gainmargin值不合適(增益裕量gainmargin值小于5)，則達(dá)不到振蕩條件，晶體將不能振蕩。這時你只能再選擇一個有更低ESR和/或有更低CL值的晶體了。

步驟二：計算外掛負(fù)載電容

計算CL1和CL2，查看是否能夠在市場上買到它們：

如果你能買到與你的計算值完全一樣的電容，振蕩器就會工作在預(yù)期的頻率上，你可以進(jìn)入步驟三了。

如果你沒有買到那個值的電容，并且：

1. 頻率精度對你而言非常關(guān)鍵，你可以使用一個可調(diào)電容以獲得精確的值。然后你可以進(jìn)入步驟三了。
2. 你對頻率精度的要求并不嚴(yán)格，就選擇一個在市場上能買到的值最接近的電容，然后進(jìn)入步驟三。

步驟三：計算驅(qū)動功率和外接電阻

計算DL，然后比較它與DLcrystal誰大誰小：

1)如果DL < DLcrystal，不需要增加外接電阻。恭喜你選到了一個合適的晶體!

2)如果DL > DLcrystal，你應(yīng)該再計算RExt以滿足DL <
DLcrystal。然后你還需要把RExt代到增益裕量的計算公式中重新計算增益裕量。

如果增益裕量>5，恭喜你，你找到了一個合適的晶體!

如果增益裕量太小，這個晶體將不能正常工作，你只能再重新選擇一個晶體了。回到步驟一，選擇一個新的晶體吧!

4.晶振廠如何測試晶振

下面以Epson為例，介紹晶振廠如何測試晶振：

晶振測試，Epson稱之為CE(crystal evaluation)測試,主要評估無源晶振回路特性，

通過調(diào)節(jié)負(fù)載電容CL來等評估頻偏

通過負(fù)性阻抗|-R|來判斷起振能力

通過驅(qū)動功率DL來判斷是否過驅(qū)

下圖是晶振電路示意圖：

4.1.雜散電容計算

由公式：CL=(Cg//Cd)+Cs

CL=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)+Cs

其中Cs表示雜散電容。

例：當(dāng)CL=12.5pf,Cg=Cd=18pf,測量的頻率差接近0ppm,時，此時的

Cs=12.5-9=3.5(pf)

說明：Cs經(jīng)驗值為：3.5-8PF

4.2.外掛電容的計算

當(dāng)發(fā)現(xiàn)頻率正偏或負(fù)偏時，如何調(diào)整外掛電容?

原理：電容容值越大，放電越慢

電容容值越小，放電越快。

1)當(dāng)測得的頻偏是-ppm時(負(fù)偏)，減小電容容量，一般同時減小Cg,Cd

2)當(dāng)測得的頻偏是+ppm時(正偏)，增大電容容量, 一般同時增大Cg,Cd

當(dāng)不到兩個相同且合適的Cg,Cd時，Cg,Cd可以一大一小。

4.3.驅(qū)動功率的計算

DL = Irms2 * RL

RL=ESR*(1+C0/CL)2

Irms可以用電流夾來測試，RL為整個回路的等效電抗，C0,CL可以從晶振的規(guī)格書算得，算得的實際值小于晶振規(guī)格書的電大驅(qū)動功率!

4.4.

負(fù)性阻抗的計算

公式如下：

|-R|=Rs+RL

RL=ESR (1+C0/CL)2

Rs為從0調(diào)整到晶振電路不起振時，對應(yīng)的電阻值，

晶振廠先測得Rs,再算得RL，最后得出負(fù)性阻抗的值，

這個值必須大于5倍的ESR,才能保證晶振穩(wěn)定地起振。

說明：Rf是晶振電路的反饋電容，讓反饋電路處于放大電路的線性區(qū)，Rd為限流電阻 ，此電阻可以防止晶振過驅(qū)。

下方為epson原廠的測試報告：

5.特殊情況應(yīng)對

以面幾節(jié)內(nèi)容分別來自于ST的官方指導(dǎo)文件，以及Epson原廠的指導(dǎo)文件，實際選取晶振時，我們因為不可能先進(jìn)行測試晶振的參數(shù)，因為我沒法測驅(qū)動功率和負(fù)性阻抗，因此只能按ST提供的選取晶振的方法。那么當(dāng)按照他們給定的方法選取時，并不能保證100%就可以。

例于：ECP-GW-2項目

MCU型號為：STM32F103RCT6.

Datasheet提供的gm規(guī)格如下：

晶振選型為：FC-135R 32.768KHZ,6PF,20PPM

gainmargin=11.6994031

這個值選大于5，但還是存在不振起的現(xiàn)像。

存大兩大疑點：

1)晶振會不會不型號不對?：讓原廠核對絲印，是對的。

2)板子LAYOUT會不會有問題?

這個LAYOUT走線短，沒有什么問題的。

方法一：

但在晶的振兩端并上16-20M的電阻，可以解決上面的問題，原理分析如下：

1.并上一個電阻后，ESR是減小的，

從|-R|>5ESR看，減小ESR是有利于起振的

從：

看

減小ESR,相當(dāng)于增大gain margin,這個值ST要求大于5的

方法二：

有的MCU的gm有幾個檔位，增大gm，也可以避免晶振不起振的問題。但像STM32F103RCT6這顆MCU，gm只有一檔。