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硬件开发者之路之——半导体基础元器件晶振

上一篇 / 下一篇  2017-08-15 22:11:27 / 个人分类:技术生涯

   晶振作为嵌入式系统中的重要元器件,应用说起来简单,有时不注意却又容易出现问题,而且多是批量性问题。晶振的类型也分多种:有源晶振,无源晶振,恒温型,温度补偿型,电压控制型,还有一种叫差分晶振。

一、晶振的分类


如图是各种各样的晶振:

无源晶振:

有源晶振:

恒温型晶振:

温度补偿型晶振:

二、结构和原理

晶振的原理很简单,利用的就是晶体的压电效应(就是晶体形变会造成电荷分布移动)。无源晶振就是无需外接电源,也叫无源晶体谐振器,有源晶振即需要外接电源,也叫有源晶体振荡器。

下图是有源晶体内部结构,其实就是加个整形电路。


在配合电路应用时,晶振的工作原理如图:

如图可以仿真看出负载电容对晶振起振的影响:


晶振的参数特性:

一般而言我们知道最多的就是晶振的负载电容,这个负载电容其实是管脚的总体等效电容,因此在PCB设计时尤其要注意寄生电容的大小。但是还有一些其他重要的参数需要注意:

1、  标称频率:即设计的标准振荡频率。

2、  温度频差:工作频率相对基准温度25度时频率的偏差。、

3、  老化率:工作频率随时间的变化范围。

4、  启动时间:上电开始到晶振达到工作频率的时间。

   晶振的应用特性:

晶振在使用过程中需要注意的事项也比较多,使用不当也会造成停振。

1、  负载电容使用不当,没有注意产品的负载电容要求。

2、  存储时间长,晶振老化严重。

3、  干扰问题停振,晶振附近有强干扰信号,因此一般选择金属封装,并且不用的管脚接地。

4、  焊接不当,尤其是长时间高温容易损坏晶振。

5、  晶振附近避免信号线走线,地平面要尽量完整。

6、  为避免机械应力影响晶振,PCB很大时晶振尽量靠边,PCB很小时晶振尽量居中。

 

 

有源晶振和无源晶振区别:

有源晶振和无源晶振在应用上有一些区别:

有源晶振输出为方波,频率更加稳定可靠,并且可选各种带补偿的高精度晶振,缺点是输出电平固定。

无源晶振的输出:

有源晶振的输出:

晶振供应商:

进口供应商:日本的爱普生、京瓷、NDKKDS、西铁城、大河晶振、村田。

 

国产供应商:台湾的加高电子、台湾晶技、泰艺、友桂。广州惠伦晶体,中电熊猫等。

小结:

在电路设计中晶振其实是个不起眼又很重要的角色,不起眼是因为晶振的功能简单单一,应用也不复杂,重要是因为它是整个数字电路的运行时钟,一旦异常,系统必然出问题,但是晶振的失效问题又很多样,往往在查找类似问题时束手无措,我觉得还是理解参数为基础,然后根据实际去尝试。譬如抓住几个关键点:负载电容、焊接损坏、老化失效、机械损坏、EMI、EMC设计等几个要点,这样几个点实际上涵盖了绝大多数问题,总之,实践是检验真理的唯一标准,而理论和理解则是指导实践的方向,不可偏废。


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