【技术大神】浅谈无源晶体电路匹配设计的问题
晶振，是每一个电子产品上都必须使用的器件。晶振的作用是产生给系统芯片所需的时钟频率，系统芯片的一切指令执行都是建立在此基础上。晶振的选型和设计，对整个系统的稳定性有着非常重要的影响。
本人做过消费类，汽车类等不少产品设计，使用过大量的EPSON无源晶振，有源晶振，TXCO等器件。据统计，EPSON高稳定性的晶体无论是在生产过程还是在终端客户，基本上是零故障率，质量非常可靠。
晶振线路的设计，看起来非常简单，但是设计不好，往往会引起时钟不准，EMI干扰严重，甚至系统没法工作的情况。下面我以常用的32.768KHz EPSON无源晶体Q13MC1461000200为列，跟大家聊聊无源晶体电路匹配设计的问题。主要从三个方面考虑：晶体选型与硬件线路匹配、晶振layout设计、晶振测量。
晶体选型与硬件线路匹配
我们先看看EPSON MC-146 Q13MC1461000200参数。
表1：MC-146参数
上面绿色标示部分是我个人设计中比较关注的晶振主要参数。如下稍作解释：
Storage temperature range
这个是产品关机存储温度，我们选择晶振都需要满足这个基本条件，以保证运输过程中不出质量问题。
Operation temperature
很多无源晶体是-10~70度，而Q13MC1461000200能达到-40~+85度。我个人认为晶体Operation temperature这个参数非常重要，选择一个宽温的对产品稳定性有很大好处。
Frequency tolerance
不同的应用场景，对晶体的误差要求不同，譬如笔记本、平板之类，一般±20PPM可以满足要求。如果用于一些军工产品、精密仪表，可能需要选择±10PPM甚至更高要求的晶体。
Load capacitance(CL)
Q13MC1461000200负载电容是12.5pF。这个参数并不反映晶体本身性能，但是线路设计必须与其匹配，这里非常关键。
下面举例说明这个硬件线路匹配的设计，如下是线路图：
负载电容的计算如下：
CL=Cap.Load+IC Load+Stray Load
Cap.Load=(20*20)/(20+20)=10(pF)
IC Load≈1.5pF
Stray Load≈1pF
CL on board = Cap.Load + IC Load + Stray Load= 10+1.5+1=12.5(pF)
其中IC load是芯片内部的电容负载，Stray load是晶振信号通过layout trace的容性负载。这两个值一般是经验值，要真正保证频率在spec范围，还需要经过仪器对频率的测量以及这两个电容容值的更改调试，才能达到最终的设计要求。上图只是一个初步的评估值，也就是我们首次SMT上件要求的电容值。同时,对于上图C15,C16两个负载电容的精度，也影响最终晶振的频率输出精度，一般选择COG/±5%的电容。
晶振layout设计
我认为如下3点需要特别注意：
1）负载电容尽量靠近晶振；
2）晶振下方PCB每层尽量铺GND，避免干扰；
3）CLK信号尽量最短路径到IC，远离高频和电源信号。
如下是EPSON Q13MC1461000200在layout中的实例，完全满足上述3点要求。
晶振的测试
无源晶振的三个重要参数的测试：
1）Frequency deviation
2）Negative resistance
3）Drive level(DL)
Frequency deviation
这个测试项目是针对晶振振动频率是否在spec Frequency tolerance 的范围内的测试。譬如EPSON Q13MC1461000200无源晶体±20PPM的范围是32767.34464~32768.65536Hz。只要我们测试的频率在这个范围，就算Pass。这个通过频率Counter仪器非常容易完成测试。
Negative resistance
负性阻抗是来判断振荡电路稳定性的一个参数，如果负性阻抗太小，那么振荡随着老化，温度、电压的变化将收到很大的影响。
这个测试使用示波器和纯电阻可以完成测试。如下是测试实列：
Drive level(DL)
激励功率就是晶体工作时消耗的功率。
有两种测量方式：
如下是我们产品使用EPSON Q13MC1461000200的测试结果，结果是Pass。
以上是本人针对EPSON无源晶体电路匹配设计的一些小看法，也欢迎各位朋友提出建议。
目前EPSON生产的晶体产品占超过全球1/5的市场份额，是世界上最大的晶体产品供应商。主要产品包括：无源晶体、有源晶振、TCXO、VCXO等，本人也在实际的消费量和车载类产品中，大量使用EPSON的产品，质量值得信赖。
作者：Bati
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FENT Lv8. 研究员 2019-09-05学习 -
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FENT Lv8. 研究员 2019-08-02很实用的知识 -
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用户_6859 Lv7 2018-05-08文章中，使用频率测试仪，是不是有接触电容，确定负载电容，会不会不准 -
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可乐加冰 Lv3. 高级工程师 2017-12-28必须收藏，一直想找这方面资料 -
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饮水者 Lv8. 研究员 2017-07-15很实用，点赞
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描述- 32.768000 kHz MC-306(Q13MC30610003xx)无源晶振数据手册
型号- MC-306 32.768000 KHZ,Q13MC3061001811,MC-30632.768000KHZ12.5+20.0-20.0,MC-306,Q13MC3061000611,Q13MC3061000600,Q13MC3061000300,Q13MC3061000311,Q13MC30610003XX,Q13MC3062000300,Q13MC3062000311,Q14MC3061004511,MC-306 32.768K,MC-306 32.768000 KHZ 12.5 +20.0-20.0,Q13MC3062000600,Q13MC3062000611,MC-306 32.768KHZ,MC306,Q13MC30610003
32.768KHz无源晶振选型，从KHz至GHz全覆盖的无源晶振供应商爱普生
爱普生是全球最大的晶体时钟产品提供商之一，且是全球最大的晶率覆盖范围厂商之一，实现从KHz至GHz全覆盖。全球共有11家工厂，晶体和IC都能自主研发生产，可以保证供货安全性。供货稳定，一致性好，性能更稳定，5年以上都不会产生频偏、停振等。爱普生无源晶振，封装全、频率覆盖广、性能稳定。
产品 发布时间 : 2024-03-07
Epson（爱普生）FC-135(Q13FC1350000400) 32.768kHz频率范围无源晶振详细数据手册（英文）
描述- 32.768kHz FC-135(Q13FC1350000400)无源晶振详细数据手册
型号- FC-135 32.768000KHZ,FC-135 32.768K,FC-135 32.768KHZ,Q13FC1350004511,Q13FC1350000300,Q13FC1350000400,Q13FC1350000411,Q13FC1350000211,Q13FC1350000200,Q13FC1350004900,FC-135,FC135
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服务
测试范围：扬兴晶振全系列晶体，通过对晶体回路匹配分析，调整频率、驱动功率和起振能力，解决频偏、不起振、干扰、频率错误等问题。技术专家免费分析，测完如有问题，会进一步晶振烧录/修改电路。
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