晶振的基本性能及应用注意事项

晶体振荡器，简称晶振，是数字电路的心脏。单片机系统中时钟就必不可少。故而晶振几乎在所有的应用电路中都不可或缺的存在着，广泛用于汽车电子、智能家居、数码电子、安防设备、通讯设备等不同领域。

如图一所示，晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

石英晶体振荡器

以“石英晶体振荡器”为例，石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。

石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫oscillator（振荡器）。HKC的Clock Oscillator产品覆盖了车规级和工业级，输出有LVPECL和CMOS两种，既有KHZ产品，也有MHZ产品。

无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来。有源晶振是一个完整的谐振振荡器。

谐振振荡器分类方法多种多样： 

按制作材料分类：可分为石英晶振和陶瓷晶振。
按应用特性分类：可分为串联谐振型晶振和并联谐振型晶振。
按负载按驱动电路分类：可分为晶振谐振器（加驱动电路产生频率信号）和晶振振荡器（加只加电压就产生频率信号）

按电容特性分类：可分为低负载电容型晶振和高负载电容型晶振。按封装形式分类：可分为玻璃真空密封型晶振、金属壳封装型晶振、陶瓷封装型及塑料壳装型晶振。

按谐振频率精度分类：可分为高精度型晶振、中精度型晶振及普通型晶振。

按晶振工作频率分类：可分为KHZ 晶振与MHZ晶振。KHZ一般为32.768KHZ的晶振，多为贴片式封装，不过也有例外。比如相关HKC的KHZ晶振便有插件封装的28-80KHZ,28-100KHZ晶振。在HKC旗下，MHZ的晶振则更细分为Ceramic SMD Crystal、Glass Frit SMD Crystal、Hybrid SMD Crystal、Metal Can Crystal，对应于工业级与车规级应用，更细致。

除去以上的分类方式，还有一种较为细致的分类。IEC将石英晶体振荡器分为4类，按晶振的功能和实现技术分类：普通晶体振荡（TCXO），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）。

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。

压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量级，频率范围1~30MHz。低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。通常用于锁相环路。

温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^(-7)～10^(-6)量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，主要应用于领域和使用环境恶劣的场合。

恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10^(-10)至10^(-8)量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中。短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大。主要用于各种类型的通信设备，手机、PS接收机、电台、数字电视及设备等领。

HKC在高保持精度 GNSS 同步时钟方面颇有建树，如图三所示比如基于TCXO类型有多种设计，发展了KStar 50M-GNSS —— GNSS驯服振荡器模组(TCXO参考源)，模块式设计内置GNSS多系统接收模块，锁定模式下，频率准确度 ≤ ±1E-12，提供可编程频率源输出，可应用于系统主板。

再如KStar 100 —— GNSS 驯服振荡器（一体化设计的频率源及时间标准），内置GNSS多系统接收模块及高稳OCXO，锁定模式下，频率准确度 ≤ ±1E-12保持模式下，在24小时内及温度变化少于20?C时，时间稳定性 ≤ ±1.5us。

晶振在完整的电路中必不可少，是一个系统的器件，晶振的好坏直接关系整个系统的稳定性，故而，如何选择一颗晶振，怎么看晶振的主要参数，是工程师的必修课。

以晶体谐振器作为主要例子。一般晶振的主要参数有：频率（标称频率）、工作温度、精度值、等效串联阻抗、匹配电容、封装形式等等。

晶振的频率：一般频率的选择取决于频率需求元件的要求，比如时钟芯片就需要32.768KHz的晶振，MCU一般是一个范围，基本上从4M到几十M都有。标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000MHz以上，也有的没有标称频率。

晶振的工作温度：之所以把工作温度单独拿出来，主要是由于晶振是个物理的器件，工作温度与价格是成正比，工作温度要求越高，价格越高，所以选择晶振时也需要重点考虑工作温度。

晶振的精度值：精度一般常见的有0.5ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±50ppm等等。其中0.5ppm国内的目前只有通过数字补偿的才能做到，国外的有在3225甚至2016上实现高精度。精度的选择一般要参考频率需求器件对精度的要求，比如高精度的时钟芯片一般在±5ppm以内，普通的应用都选择在±20ppm左右。

晶振的等效串联阻抗：这个参数主要是与驱动能力有关系，也就是说跟驱动电流有关系。等效电阻小则需要的驱动电流就小。对外部驱动电路的适应能力就越高。

晶振的匹配电容：通过改变匹配电容的参数值，可以改变晶振的频率，也就是说可以通过调整晶振的匹配电容来对精度做微调，这也是目前国内做高精度温补晶振的主要办法。如图4 C1、C2。

晶振的频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的变化率（如±10ppb/天，加电72小时后），或规定的时限内的总频率变化（如：±1ppm/（年）和±5ppm/（十年））来表示。晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构工艺缺陷等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳定，一种叫“应力补偿”的晶体切割方法（SC切割法）使晶体有较好的特性

频率低的晶振比频率高的晶振、工作时间长的晶振比工作时间短的晶振、连续工作的晶振比断续工作的晶振的老化率要好。

在应用晶振进行电路设计时要注意，抗干扰设计——由于晶振是个小信号器件，很容易受到外部的干扰，从而导致系统时钟出现问题。所以设计时在layout上要注意晶振时钟信号的处理，常用的是包地处理。一个是对板上其他频率器件的处理，这个就需要做好不同频率间的隔离处理。

当产品放置于辐射发射的测试环境中时，被测产品的高速器件与实验室中参考地会形成一定的容性耦合，产生寄生电容，导致出现共模辐射，寄生电容越大，共模辐射越强；而寄生电容实质就是晶体与参考地之间的电场分布，当两者之间电压恒定时，两者之间电场分布越多，两者之间电场强度就越大，寄生电容也会越大，晶振在PCB边缘与在PCB中间时电场分布大有不同，当晶振布置在PCB中间，或离PCB边缘较远时，由于PCB中工作地（GND）平面的存在，使大部分的电场控制在晶振与工作地之间，即在PCB内部，分布到参考接地板的电场大大减小，导致辐射发射就降低了。如图5所示，晶振放置于PCB边缘，很容易产生寄生电容。将晶振内移，使其离PCB边缘至少1cm以上的距离，并在PCB表层离晶振1cm的范围内敷铜，同时把表层的铜通过过孔与PCB地平面相连。经过修改后辐射发射会有明显改善。

此外，在PCB加工时也需要注意：

1.由于晶振是个物理器件，  此外，在PCB加工时也需要注意：在过回流焊的时候高温可能会对晶振的频率造成一定的影响，偏离频率，这个在使用K级别晶振的时候需要特别注意。比如32.768khz的晶振。

2.清洗流程中的超声波清洗，这个主要是超声波频率如果落在晶振的工作频率上就可能引起晶振的共振，导致晶振内部的晶片碎掉，出现不良。

使用过程中还需要注意的是，让晶振工作在稳定状态，很多出现晶振失效的情况都是晶振长期工作在过驱动或者是欠驱动状态。过驱动可能导致晶振达不到正常的使用寿命，欠驱动可能导致晶振的抗干扰能力减弱，系统常常无故丢时钟。

在设计阶段和使用阶段都达到要求，才能使晶振工作更稳定。当然，选择使人放心的产品是步，HKC的晶体产品广泛应用于汽车娱乐模块、车身控制模块、蓝牙、通用物联网（IoT）、遥控器、汽车遥控钥匙、数字视频转换盒、系统芯片、无线胎压监测、Wifi等领域，经过无数产品和客户的认可。