【技术大神】如何解决无源晶体电路的不起振问题？

时间： 2017-03-08 来源：技术大神活动文章

代理服务

技术支持

批量订货

晶振即晶体振荡器，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片）。石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振，而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃、陶瓷或塑料封装的。

晶振一般具有以下几大应用：
1）通用晶体振荡器，用于各种电路中，产生振荡频率。
2）时钟脉冲用石英晶体谐振器与其它元件产生标准脉冲信号，广泛用于数字电路中。
3）微处理器用石英晶体谐振器。
4）CTVVTR用石英晶体谐振器。
5）钟表用石英晶体振荡器。

本文我要讲的是在产品开发过程中，特别是现在的智能产品中都会使用一颗及以上的CPU或MCU，不管哪种IC往往都会用到晶体振荡器。晶体振荡器可以说是处理器的时钟，有着稳定的频率，是一个标准源，没有它的话，程序会乱跑，也不可能运行。特别是在-40℃～+85℃的温度范围内要求误差在±20ppm之间的处理器必须使用外接晶振。

EPSON的全系列晶振就适合温度范围宽高精度的场合。

石英晶体选型的注意要项
在选择石英晶体的时候需要注意以下参数：
• 频率（标准频率F、容差）
• 电阻（RR）
• 电容（C0、C1）
• 负载（CL）
• 激励电平相关性（DLD2、RLD2）
• 温度频率特性（FL-T）
• 寄生振荡（spdb）
• 工作温度范围
• 存储温度范围

一般采用网络分析仪测试石英晶体的电性能，在电路板上的测试方法如下：
1）采用HP专用仪器通过感应头测试输出频率。该方法的优点是频率准确；缺点是设备昂贵。

2）电阻法：晶体2端并联一个可调电阻，调整电阻大小直到电路不工作，可以确定晶体电阻。该方法的优点是简单实用。

3）示波器方法：测定头串联1-2PF电容，然后探测频率。该方法测试的频率误差在5ppm内。

最基本的参数确定：
1）频率：根据实际的情况和体积大小选择合适的频率。

2）电阻：在晶体一端串联一个可调电阻，采用示波器方法，调整阻值，直到波形消失。此时的可调电阻值为电路允许的最大电阻值，一般为了让电阻稳定工作，取最大电阻值的1/3～1/5来规定晶体的最大值。

3）负载：根据晶体的使用或电容值来确定。

晶体的使用
1）晶体两端连接电容接地，此乃最基本的方式。
2）晶体一端接地，一端接电容。
3）晶体接在2个IC之间。

说到这里，我们如果简单地按晶体规格书提供的匹配电容设计那就错误了。如下就是我们使用Epson的晶振FC-12D与某品牌MCU在生产中出现的问题排查及解决方案。

问题现象：CPU运行一段时间后晶振停振导致程序跑飞。
通过实验的方法查找可能原因：
1）将不能起振机器的电容更换不同品牌电容，焊接完毕全部起振，室温下放置一段时间后，仍有不起振现象，排除。

2）补焊MCU晶振输入引脚与晶振引脚，部分采集器恢复起振，室温下放置一段时间后，原来起振的晶振又出现不起振现象，排除。

3）怀疑附近的芯片晶振影响，将附近芯片使用的晶振卸下，重新上电仍然不起振，排除。

4）怀疑变压器对晶振的影响，将晶振与变压器分开一段距离，发现仍不能起振，排除。

5）怀疑晶振本身不稳定，轻敲不起振晶振外壳，重新上电，有时能起振，有时不能起振。

6）将万用表探头或示波器探头接近晶振信号（不接触），改变分布电容，有时能起振，有时不能起振。

7）用电吹风给不能起振的晶振吹热风加热，部分机器恢复起振，室温下放置一段时间后，原来起振的晶振又出现不起振现象。

根据以上实验可见，晶振对环境很敏感，稍微改变一下环境，就可能改变起振情况。

检查晶振参数：
1）频率32.768KHz，符合MCU的输入范围；
2）工作温度范围–40 to +85℃，实际温度未超过这个范围；
3）焊接方式：波峰焊温度260℃±5℃，浸溃时间2s±0.5s，符合规格书要求；
4）负载电容：规格书要求12pF，实际焊接2个参数“0603-50V-20pF±5% NPO”，按照负载电容算法，取分布电容5pF计算，满足负载电容要求；
5）增益裕量计算：

gmcrit是晶振本身参数，计算公式：

gmcrit=4×ESR×（2πF）2×（CO+CL）2

代入参数，计算得，gmcrit=0.56mA/V；

通过模拟测试得到：

gm=2.63mA/V；

gainmargin=4.7；

得出gainmargin不满足此MCU要求的大于5的增益要求。

解决方法提高增益，把负载电容更换更小容量提高增益，达到MCU更容易起振，最后更换为2个参数“0603-50V-15pF±5% NPO”的电容，经批量测试500台一个星期后均未出现停振现象，问题到此解决。

作者：潘龙

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 3
| 转发至：

本网站所有内容禁止转载，否则追究法律责任！

全部评论（3）

OutstandingEngineer Lv6. 高级专家 2018-05-09

干货，学习。
海绵宝宝 Lv7. 资深专家 2018-05-03

学习
hilly Lv6. 高级专家 2017-07-26

ST的MCU吧，时钟晶振很挑，看了文章这下又多一个选择了

没有更多评论了

【技术大神】小晶振大奥秘：32.768KHz无源晶体电路匹配设计

实例介绍32.768K无源晶体的电路匹配选择，及设计时的注意事项。

2017-03-20 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【经验】晶体振荡器匹配电容计算及其电路介绍

本文介绍了晶体的匹配原理、计算公式、负载电容、引脚等等。

2017-11-28 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【技术大神】无源晶体电路PCB设计技巧分享

从理论、实际和测试三方面综合介绍无源晶体在PCB板中的设计技巧。

2017-04-05 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

Epson（爱普生）无源晶体/时钟/陀螺仪传感器/有源晶振产品介绍

描述- 本资料对爱普生无源晶体、时钟、陀螺仪传感器、有源晶振等产品进行了介绍。

型号- Q13MC1461000600,TCXO,TG2016,RX8010,RX8130,XV4001,SG-310,RX8026T,X2A000271001200,Q24FA20H00XXXXX,GPM01,SG-3030,FC135,SG3225,FC12M,XV7001,FA-238,X1B000242000100,SG-8018,SG-210STF,X1G005221000800,X1A000061000200,Q22FA23XXXXXXXX,X2A000261000800,GGPM01,X1B000271A00500,X1A000141000300,FA-238A,SG7050,X1E000021048100,Q22FA12800XXXXX,XV-7001BB,TSX-3225,X1E000021016900,X1E000021021800,Q13FC1350000400,XV7011,FA-128,TG-5006,MC146,SG-210,VCXO,VX-7011BB,RX8900,X1B000311000100,X1B000301000200,X1E000021025500,RX8025T,X1A000141000600,RA8900,GGPM01A,X1E0003410XXXXX,Q13MC1462000200,X1B000281000700,Q13FC1350004900

EPSON - 商品及供应商介绍代理服务技术支持批量订货

浅谈三脚晶振与两脚晶振的区别

有人会经常问到，两脚晶振和四脚晶振在使用电路上有什么区别吗？以及2脚晶振和3脚晶振又有何区别？

2016-02-29 - 技术探讨代理服务技术支持批量订货

TCO-5860 系列晶体振荡器数据手册

描述- 本资料介绍了Epson Toyocom生产的TCXO（温度补偿晶振）产品，特别是TCO-5860系列的超小超薄型晶体振荡器。该系列产品适用于多种通信设备，具备低功耗、高精度等特点。

型号- TCO-5869,TCO-5867,TCO-5862,TCO-5860,TCO-5860 系列,TCO-5861,X1G0014XXXXXX00

2021/03/25 - EPSON - 数据手册代理服务技术支持批量订货

Epson（爱普生） MC-306(Q13MC30610003xx) 32.768000 kHz频率范围无源晶振数据手册

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

2016年07月13日 - EPSON - 数据手册代理服务技术支持批量订货

相位抖动仅0.3ps的表面声波晶振，为您提供“完美”时钟信号

EG-2102CA是一款超低抖动的表面声波晶振，输出频率范围为53.125MHz~700MHz，其最大相位抖动不超过0.8ps，同时还支持LV-PECL、LVDS以及HCSL三种电平输出。

2019-07-03 - 新产品代理服务技术支持批量订货

Femtocell晶振的更好选择：CMOS高稳定度温补晶振

还在寻找一款更适合Femtocell的晶振，不用再找了，最好的选择在这里！

2019-06-27 - 新产品代理服务技术支持批量订货

Epson（爱普生）C-TYPE/C-2 TYPE / C-4TYPE 32.768 kHz（20 kHz～120 kHz）频率范围无源晶振数据手册

描述- 32.768 kHz（20 kHz～120 kHz） C-TYPE/C-2 TYPE / C-4TYPE 无源晶振数据手册

型号- C-TYPE,Q11C02RX1002200,C-002RX32.768000KHZ12.5+20.0-20.0,C-002RX 32.768KHZ,C2-TYPE,C-004R,Q12C2000100,C-2 TYPE,C-002RX 32.768000KHZ,C4TYPE,CTYPE,Q12C4000100,Q11C02RX1XXXX00,Q12C20001XXXX00,Q12C40001XXXX00,C-005R,Q11C02RX1003200,Q11C02RX1001100,C-002RX,Q11C004R100,Q11C004R1XXXX00,Q11C02RX100,Q11C02RX1001300,Q11C005R1XXXX00,C-TYPE,C2TYPE,Q11C005R100,C-002RX 32.768K,C - 4TYPE,C-4 TYPE,C-002RX 32.768000KHZ 12.5 +20.0-20.0

2016年05月05日 - EPSON - 数据手册代理服务技术支持批量订货

Epson（爱普生）晶体振荡器可编程SG-8002系列数据手册（中文）

描述- Epson Toyocom的SG-8002系列晶体振荡器是一款可编程的晶体振荡器，具备多种型号和规格，适用于不同的应用需求。该系列产品支持1 MHz至125 MHz的频率范围，并提供3.0 V、3.3 V和5.0 V的电源电压选项。产品特性包括低功耗、高频率稳定度和多种封装类型。

型号- Q3309CA30024411,Q3203DBX1XXXX00,Q3309CAX0XXXX00,Q3309CA40004900,Q3321CE40004914,SG-8002CE,Q3323LBXXXXXX00,SG-8002CA,Q3307JC21027200,Q3308JFX1XXXX00,Q3306JA41002411,Q3309CA40003600,Q3307JCX1XXXX00,SG-8002JF,SG-8002JC,SG-8002JA,SG-8002LA,SG-8002LB,SG-8002,Q3323LB41020411,Q3306JAX1XXXX00,SG-8002DC,Q3204DCX1XXXX00,Q3309CA20046312,SG-8002DB,Q3321CEXXXXXX00,Q3306JA41002400

2016年05月06日 - EPSON - 数据手册代理服务技术支持批量订货

Epson（爱普生） SG-8101CE可编程晶体振荡器官方数据手册（ECC2015-0503）

描述- 本资料为Seiko Epson Corporation生产的SG-8101CE可编程晶体振荡器的规格说明书。内容包括产品型号、包装标准、保修政策、技术规范、频率列表、功能与特性、绝对最大额定值、工作范围、电气特性、时序图、测试电路、环境和机械特性、尺寸和标记布局、处理注意事项以及可靠性试验数据。

型号- SG-8101CE,X1G005211002000,SG-8101,SG-8101CE100.000000MHZTCHPA

2016年10月31日 - EPSON - 数据手册 - Ver.20170802 代理服务技术支持批量订货

Epson（爱普生）FC-135/FC-135R 32.768kHz 频率范围无源晶振数据手册（英文）

描述- 32.768kHz FC-135/FC-135R 无源晶振数据手册

型号- FC-135R 32.768KHZ,X1A00014100,Q1XFC135000,Q13FC1350004511,FC135R,Q13FC1350000211,Q13FC1350000200,FC-135R 32.768K,FC135,FC-135R32.768000KHZ12.5+20.0-20.0,FC-135R,FC-135R 32.768000KHZ,Q13FC1350000300,Q13FC1350000400,Q13FC1350000411,Q13FC1350004900,FC-135R 32.768000KHZ 12.5 +20.0-20.0,FC-135,X1A000141XXXX00,Q1XFC1350XXXX00

2016年05月05日 - EPSON - 数据手册代理服务技术支持批量订货

Epson（爱普生） FC-12M 32.768 kHz频率范围无源晶振数据手册（英文）

描述- FC-12M 32.768 kHz无源晶振数据手册

型号- FC-12M32.768000KHZ12.5+20.0-20.0,FC-12M 32.768 KHZ,FC-12M,FC-12M 32.768000 KHZ,X1A000061000201,X1A000061000200,X1A000061000211,FC12M,X1A0000610002XX,FC-12M 32.768K,X1A0000610002,FC-12M 32.768000 KHZ 12.5 +20.0-20.0

2017年02月16日 - EPSON - 数据手册代理服务技术支持批量订货