晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱晶振，是數(shù)字電路的心臟。單片機(jī)最小系統(tǒng)中時(shí)鐘就必不可少。故而晶振幾乎在所有的應(yīng)用電路中都不可或缺的存在著，廣泛用于汽車電子、智能家居、數(shù)碼電子、安防設(shè)備、通訊設(shè)備等不同領(lǐng)域。

如圖一所示，晶振在電氣上可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。

石英晶體振蕩器

以“石英晶體振蕩器”為例，石英晶體振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正常。

石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。

晶體振蕩器也分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類型。無(wú)源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫oscillator（振蕩器）。HKC的Clock Oscillator產(chǎn)品覆蓋了車規(guī)級(jí)和工業(yè)級(jí)，輸出有LVPECL和CMOS兩種，既有KHZ產(chǎn)品，也有MHZ產(chǎn)品。

無(wú)源晶振需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)。有源晶振是一個(gè)完整的諧振振蕩器。

諧振振蕩器分類方法多種多樣：

按制作材料分類：可分為石英晶振和陶瓷晶振。按應(yīng)用特性分類：可分為串聯(lián)諧振型晶振和并聯(lián)諧振型晶振。按負(fù)載按驅(qū)動(dòng)電路分類：可分為晶振諧振器（加驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生頻率信號(hào)）和晶振振蕩器（加只加電壓就產(chǎn)生頻率信號(hào)）。按電容特性分類：可分為低負(fù)載電容型晶振和高負(fù)載電容型晶振。按封裝形式分類：可分為玻璃真空密封型晶振、金屬殼封裝型晶振、陶瓷封裝型及塑料殼裝型晶振。按諧振頻率精度分類：可分為高精度型晶振、中精度型晶振及普通型晶振。

按晶振工作頻率分類：可分為KHZ 晶振與MHZ晶振。KHZ一般為32.768KHZ的晶振，多為貼片式封裝，不過(guò)也有例外。比如相關(guān)HKC的KHZ晶振便有插件封裝的28-80KHZ,28-100KHZ晶振。在HKC旗下，MHZ的晶振則更細(xì)分為Ceramic SMD Crystal、Glass Frit SMD Crystal、Hybrid SMD Crystal、Metal Can Crystal，對(duì)應(yīng)于工業(yè)級(jí)與車規(guī)級(jí)應(yīng)用，專業(yè)更細(xì)致。

除去以上的分類方式，還有一種較為細(xì)致的分類。IEC將石英晶體振蕩器分為4類，按晶振的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)分類：普通晶體振蕩（TCXO），壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。

普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。

壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級(jí)，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10^(-7)～10^(-6)量級(jí)，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。

恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大。主要用于各種類型的通信設(shè)備，手機(jī)、PS接收機(jī)、電臺(tái)、數(shù)字電視及軍工設(shè)備等領(lǐng)。

HKC在高保持精度 GNSS 同步時(shí)鐘方面頗有建樹，如圖三所示比如基于TCXO類型有多種設(shè)計(jì)，發(fā)展了KStar 50M-GNSS —— GNSS馴服振蕩器模組(TCXO參考源)，模塊式設(shè)計(jì)內(nèi)置GNSS多系統(tǒng)接收模塊，鎖定模式下，頻率準(zhǔn)確度?≤ ±1E-12，提供可編程頻率源輸出，可應(yīng)用于系統(tǒng)主板。

再如KStar 100 —— GNSS 馴服振蕩器（一體化設(shè)計(jì)的頻率源及時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)），內(nèi)置GNSS多系統(tǒng)接收模塊及高穩(wěn)OCXO，鎖定模式下，頻率準(zhǔn)確度?≤ ±1E-12保持模式下，在24小時(shí)內(nèi)及溫度變化少于20?C時(shí)，時(shí)間穩(wěn)定性 ≤ ±1.5us。

晶振在完整的電路中必不可少，是一個(gè)系統(tǒng)的核心器件，晶振的好壞直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故而，如何選擇一顆晶振，怎么看晶振的主要參數(shù)，是工程師的必修課。以晶體諧振器作為主要例子。一般晶振的主要參數(shù)有：核心頻率（標(biāo)稱頻率）、工作溫度、精度值、等效串聯(lián)阻抗、匹配電容、封裝形式等等。

晶振的核心頻率：一般核心頻率的選擇取決于頻率需求元件的要求，比如時(shí)鐘芯片就需要32.768KHz的晶振，MCU一般是一個(gè)范圍，基本上從4M到幾十M都有。標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000MHz以上，也有的沒有標(biāo)稱頻率。

晶振的工作溫度：之所以把工作溫度單獨(dú)拿出來(lái)，主要是由于晶振是個(gè)物理的器件，工作溫度與價(jià)格是成正比，工作溫度要求越高，價(jià)格越高，所以選擇晶振時(shí)也需要重點(diǎn)考慮工作溫度。

晶振的精度值：精度一般常見的有0.5ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±50ppm等等。其中0.5ppm國(guó)內(nèi)的目前只有通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償?shù)牟拍茏龅?，?guó)外的有在3225甚至2016上實(shí)現(xiàn)高精度。精度的選擇一般要參考頻率需求器件對(duì)精度的要求，比如高精度的時(shí)鐘芯片一般在±5ppm以內(nèi)，普通的應(yīng)用都選擇在±20ppm左右。

晶振的等效串聯(lián)阻抗：這個(gè)參數(shù)主要是與驅(qū)動(dòng)能力有關(guān)系，也就是說(shuō)跟驅(qū)動(dòng)電流有關(guān)系。等效電阻小則需要的驅(qū)動(dòng)電流就小。對(duì)外部驅(qū)動(dòng)電路的適應(yīng)能力就越高。

晶振的匹配電容：通過(guò)改變匹配電容的參數(shù)值，可以改變晶振的核心頻率，也就是說(shuō)可以通過(guò)調(diào)整晶振的匹配電容來(lái)對(duì)精度做微調(diào)，這也是目前國(guó)內(nèi)做高精度溫補(bǔ)晶振的主要辦法。如圖4 C1、C2。

晶振的頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測(cè)量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，因此，其頻率偏移的速率叫老化率，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時(shí)后），或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））來(lái)表示。晶體老化是因?yàn)樵谏a(chǎn)晶體的時(shí)候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問(wèn)題。應(yīng)力要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的變化才能穩(wěn)定，一種叫“應(yīng)力補(bǔ)償”的晶體切割方法（SC切割法）使晶體有較好的特性。

頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時(shí)間長(zhǎng)的晶振比工作時(shí)間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。

在應(yīng)用晶振進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意，抗干擾設(shè)計(jì)——由于晶振是個(gè)小信號(hào)器件，很容易受到外部的干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)鐘出現(xiàn)問(wèn)題。所以設(shè)計(jì)時(shí)在layout上要注意晶振時(shí)鐘信號(hào)的處理，常用的是包地處理。一個(gè)是對(duì)板上其他頻率器件的處理，這個(gè)就需要做好不同頻率間的隔離處理。

當(dāng)產(chǎn)品放置于輻射發(fā)射的測(cè)試環(huán)境中時(shí)，被測(cè)產(chǎn)品的高速器件與實(shí)驗(yàn)室中參考地會(huì)形成一定的容性耦合，產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致出現(xiàn)共模輻射，寄生電容越大，共模輻射越強(qiáng)；而寄生電容實(shí)質(zhì)就是晶體與參考地之間的電場(chǎng)分布，當(dāng)兩者之間電壓恒定時(shí)，兩者之間電場(chǎng)分布越多，兩者之間電場(chǎng)強(qiáng)度就越大，寄生電容也會(huì)越大，晶振在PCB邊緣與在PCB中間時(shí)電場(chǎng)分布大有不同，當(dāng)晶振布置在PCB中間，或離PCB邊緣較遠(yuǎn)時(shí)，由于PCB中工作地（GND）平面的存在，使大部分的電場(chǎng)控制在晶振與工作地之間，即在PCB內(nèi)部，分布到參考接地板的電場(chǎng)大大減小，導(dǎo)致輻射發(fā)射就降低了。如圖5所示，晶振放置于PCB邊緣，很容易產(chǎn)生寄生電容。將晶振內(nèi)移，使其離PCB邊緣至少1cm以上的距離，并在PCB表層離晶振1cm的范圍內(nèi)敷銅，同時(shí)把表層的銅通過(guò)過(guò)孔與PCB地平面相連。經(jīng)過(guò)修改后輻射發(fā)射會(huì)有明顯改善。

此外，在PCB加工時(shí)也需要注意：

1.由于晶振是個(gè)物理器件，在過(guò)回流焊的時(shí)候高溫可能會(huì)對(duì)晶振的頻率造成一定的影響，偏離核心頻率，這個(gè)在使用K級(jí)別晶振的時(shí)候需要特別注意。比如32.768khz的晶振。

2.清洗流程中的超聲波清洗，這個(gè)主要是超聲波頻率如果落在晶振的工作頻率上就可能引起晶振的共振，導(dǎo)致晶振內(nèi)部的晶片碎掉，出現(xiàn)不良。

使用過(guò)程中還需要注意的是，讓晶振工作在穩(wěn)定狀態(tài)，很多出現(xiàn)晶振失效的情況都是晶振長(zhǎng)期工作在過(guò)驅(qū)動(dòng)或者是欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。過(guò)驅(qū)動(dòng)可能導(dǎo)致晶振達(dá)不到正常的使用壽命，欠驅(qū)動(dòng)可能導(dǎo)致晶振的抗干擾能力減弱，系統(tǒng)常常無(wú)故丟時(shí)鐘。

在設(shè)計(jì)階段和使用階段都達(dá)到要求，才能使晶振工作更穩(wěn)定。當(dāng)然，選擇使人放心的產(chǎn)品是第一步，HKC的晶體產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車娛樂模塊、車身控制模塊、藍(lán)牙、通用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、遙控器、汽車遙控鑰匙、數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換盒、系統(tǒng)芯片、無(wú)線胎壓監(jiān)測(cè)、Wifi等領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)產(chǎn)品和客戶的認(rèn)可。

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