晶体、晶振可靠性应用规范

1.晶体、晶振的概念和基本原理

1.1.晶体的基本原理和分类

1.1.1.晶体的基本原理

晶体谐振器、简称晶体：它是晶体经过弯曲、切割或者其他的处理，并安装底座和外壳，形成我们晶体看到的晶体器件。

晶体是由等效电容、电阻、电感组做的振荡电路。晶体是无缘器件，它没有电压问题，信号电平是可变的，即由起振电路决定的，所以同样的晶体可以适用于多种电压。

用于基频振动的晶体称为基音晶体，用于泛音振动的晶体称为泛音晶体，从等效电子模型来看，泛音晶体和普通晶体的不同之处在于，两种电路中除了C0以外阻、容、感参数值都不同。为了方便讲述，两种晶体采用不同的表示方式，泛音晶振等效电路为C0+C10+L10+R10，而普通晶体的等效电路为C0+C1+L1+R1。

晶体等效模型

C1、C10：动态电容，表示石英谐振器的机械特性，为fF级（10-15）

R1、R10：动态电阻，表示谐振器振动时候的能量消耗，从几十欧到几千欧不等

L1、L10：动态电感，表示谐振器的振动质量，为mH级

对于一般的应用，如果条件允许，建议选用晶体，尤其是产量较大的产品。但无源晶体相对于晶振而言，缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于型号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。总的来说吗，石英晶体精度较高，陶瓷晶体精度较低。    

1.1.2.晶体的分类

按照晶体的振荡实现方式，可以分为三种：Flexure mode、Extension mode和Thickness Shear mode。

Flexure mode：曲变振动型晶体，通常的音叉晶体就是这类晶体。通过调整晶体的弯曲度来调整晶体的输出频率，这类晶体有两种应用：a）小于200kHz的基频模式应用；b）200~560kHz的谐振应用。这类晶体的功耗都很小（1μW左右），但温度性能较差，主要用于电源存储或者睡眠晶体、RTC低功率晶体要求场合。

Extension mode：伸缩振动晶体，主要用于569~2100kHz，温度性能较Flexure mode要好，较Thickness Shear mode差。

Thickness Shear mode：厚度切变形振动型晶体。这类晶体通过不同厚度和切的角度控制晶体的频率、通常的切型包括：AT切、BT切、SC切等。AT切石英晶体，因具有零温度系数点，且零温度系数点大致落在大气环境温度范围内，具有好的温度特性而被广泛应用。

厚度切变型晶体有三种应用：a）2~30Mhz的fundamental模式（基础晶体）；b）30~250Mhz基频晶体，频率在2MHz~30MHz的为standard manufactured fundamental mode;30MHz~250MHz的是high frequency fundamentals/inverted mesa晶体；c）多次谐波的高频晶体，AT切石英晶体一般为3,5,7等奇次谐波。而音叉性晶体，其泛音频率为6次谐波。谐波晶体通常应用在VCXO、TCXO、OCXO等晶振上。Thickness Shear mode晶体的功耗相对于前面两种晶体的功耗要大（500μW）

三种模式的晶体谐振器

1.1.3.晶体的封装

常见的晶体封装形式见下表

1.2.1.晶振的基本原理

晶体振荡器（简称晶振）的基本功能就是把直流电能转变具有一定频率、一定幅度和频率高度稳定的交流电能。

振荡器的种类很多，从振荡电路中有源器件的特性和形成的振荡的原理来看，可以把振荡器分为反馈型和负阻性两大类。前者是振荡回路通过正反馈网络和有源器件连接成的振荡电路；后者是把一个呈现负阻特性的两端有源器件直接与谐振电路连接构成的振荡电路。下面主要介绍负阻型晶振器件的可靠应用。

晶体负阻振荡器的基本结构主要是由放大网络、选频网络、反馈网络和输出网络组成。

放大网络：具有功率增益的放大网络，在起振时工作在线性区，将噪声信号或输入信号进行放大；一旦振荡已经建立，放大网络进入非线性状态，环路增益下降，达到稳幅和频率稳定的目的；

选频网络：对于放大器输出的各个频率信号进行选择，使选定频点的频率信号输出其他频率信号被抑制；

反馈网络：将通过选频网络的频率信号反馈到放大器输入端，形成一个闭环的正反馈网络

输出网络：被放大的稳定频率信号，通过输出网络的整形和驱动，输出到其他器件。

1.2.2.晶振的分类

按照晶振的应用方式，分为普通晶振、压控晶振、恒温晶振、温补晶振

压控晶振：输出频率随着外加控制电压而改变的晶体振荡器。这种改变通常是将控制电压加到作为石英谐振器负载电容的变容二极管来实现的，频率可以根据压控电压在一定范围内调节，多用于锁相环电路

恒温晶振：将石英谐振器至于恒温器内来改善频率特性的晶体振荡器。通常有单层恒温和双层恒温两种形式。恒温晶振频率变化受温度影响小。其频率准确度高，多用于时钟要求高的系统电路中，如三级时钟板。

温补晶振：频率准确度介于恒温和普通晶振之间，是一种靠内部温度补偿网络来改善频率温度特性的晶体振荡器。

2.晶体、晶振关键术语及指标定义

2.1.晶体关键指标介绍

3.晶体、晶振可靠应用

3.1.晶体应用规范

1、对可以选用晶体的应用场合，应优先选用晶体，可以节约成本，减少布局空间，不过要考虑应用场合对晶体的要求（负载、功率等）

2、对晶体的激励不能超出晶体激励功率范围，否则可能会导致晶体停振；

3、应用晶体+IC方式得到需要时钟的电路中，优先选择基频晶体，能更好的保证抖动指标；

4、对于晶体+IC电路中，应尽量减少晶体和PCB间的布线负载，并注意IC内部输入脚的寄生电容，这些电容都会影响晶体的负载电容

5、对负载电容有贡献的电容，要求选用高稳定、零温度系数、低老化的NPO材料电容，电容要远离发热元器件，晶体的输出频率由负载电容确定，负载电容的稳定性直接关系到晶体频率的稳定性，因此要求负载电容非常稳定。

6、对于没有特殊要求的电路应用中，低于（包括）27MHz晶振谐振器要求，选用AT切基频晶体，高于27MHz晶体谐振器选用AT切泛音晶体，对于泛音晶体的振荡电路需加谐波抑制电路

说明：一般情况下不建议使用泛音晶体设计电路，因为使用泛音晶体，如果设计不好很容易产生调频现象，为了简化设计，27MHz以上推荐之间选用晶体振荡器。

7、晶体内部为水晶片，抗震性能较差，要求轻拿轻放

8、晶体是温度敏感元器件，应远离发热元器件

9、HC-49U晶体要求卧式安装，外壳要求接地，这样可以减少寄生频率振荡的可能性；HC49U/S，HC49U/SMD，UM-1，UM-5垂直安装时，要求加绝缘垫片；

10、49S型封装晶体要注意方案垂直安装时基座与焊盘或走线断路，要求底座加装一绝缘垫片。

11、单板应优先选择SMD封装晶体，其应用范围比HC49U/S，HC49U/SMD宽，可靠性也相对较高。

3.2.晶振应用规范

3.2.1.普通晶振

实际电路中最常用的电路模式是：晶振+时钟驱动器，如下图所示，时钟驱动器对晶振的输出时钟进行分发。

1、晶振的驱动能力很弱，晶振输出信号的rise/fall time通常比较大（几个ns）。大部分时钟驱动器虽然没有标注对输入信号的rise/fall time要求，但rise/fall time过大会影响驱动器输出测试抖动，对抖动要求严格场合应注意时钟驱动器对输入信号的要求。

2、晶振的负载能力相对驱动器弱，严禁采用晶振一驱多线方式

3、对提供给晶振的直流电源要进行高、中、低频滤波，推荐使用0.01uF电容，10uF电容和磁珠，电容位置应靠近晶振电源脚

说明：在滤波电路中钽电容可靠性相对较低，且存在烧板现象，推荐使用陶瓷电容。磁珠外部，由于高频噪声被磁珠隔离，不需要增加小电容。普通晶振功率较小，不必增加太多的滤波电容

晶振滤波电路

4、可根据需要在单端晶振输出端增加10~70欧姆电阻，能够抑制振铃现象，对上升时间的损失也很小

说明：串联电阻一般用于单端时钟通路，部分差分时钟也可能会增加串联电阻，其主要作用是抑制差分幅度。例如：在部分LVPECL-LVDS电路中会增加一个较大的串联电阻（通常超过100欧姆），来抑制LVPECL电平，满足LVDS电平要求；

5、在线晶振测试，严禁在晶振输出端外加高电平

3.2.2.恒温、压控、温补晶振

1、对于集成锁相环电路外置压控振荡器的电路，需要注意压控振荡器输入端电阻值不能太小（一般至少MΩ级以上）

2、对于应用在PLL、PSK等场合的OCXO、TCXO，必须对其相位噪声提出要求

3、对单端VCXO可以直接提APR指标，对于高端VCXO（大于100MHz）应明确提出牵引范围、温度频率偏移、老化、电源频率偏移和负载频率偏移指标

4、对于分离锁相环电路up/down信号和放大器之间的走线要尽量短，信号周围不能有其他电路走线，且VCXO的压控输入信号要有良好的滤波，否则可能导致锁相环不能锁定。

说明：如果up/down信号走线过长（大于10cm），因为up/down信号通常宽度很小，易受信号干扰和走线匹配影响导致环路不稳定。

5、应用在PLL、PSK等场合的OCXO、TCXO，必须注意噪声要求。对噪声要求高的场合，优选OCXO，其中SC切的晶振相位噪声优于AT切晶振。恒温晶振优选插装晶振，表贴晶振由于生产工艺问题，不推荐使用。

6、除了系统主时钟和芯片有特殊要求外，晶振频率稳定度优先选用±50ppm

7、晶振在工作温度范围内一定要留有余量，一般为5度

8、系统设计时，必须考虑晶振老化对时钟精度的影响

9、低抖动晶振中，晶振应远离环境气流强的地方

10、晶振上电过快或者过慢都可能导致晶振没有输出，或者输出错误，建议100ns~35ms之间