晶振电路设计及案例分享

晶振匹配电路原理分析
案例分享
讲解内容：预期目的
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晶振原理及分类
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晶振电路分析
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设计中注意事项
�案例分享
�掌握振荡电路的原理，
了解电路元器件的作用。

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掌握时钟电路的设计。

�
掌握时钟电路的调测和
问题定位。

主讲人：杨万里
晶体的构造
晶体为什么会振荡？
细节了解？晶体为什么装在金属壳中？
继续
振荡电路及振荡器
�
什么是振荡电路~_~
能产生大小和方向都随周期变化的电流的电路�
振荡器与“有源晶振”
有源晶振是振荡器的一种
�
晶振选频特性很出色
谐振频率（特性频率），谐振时损耗为0（或最小）-------对谐振频点的信号衰减为0（或最小
（阻抗最小）。

概念互通器件的品质因数是如何定义的？高频电路中如何正确选择电感？
晶振的分类
按照振荡模式，晶体可分为基频晶体和泛音晶体。

��其他分类方式此处不讨论。

�为什么会有泛音晶体~_~
基频晶体和泛音晶体相对来说哪种的输出时钟更�
加稳定？
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晶体的等效电路及说明
？
晶体的等效电路及说明
C0-----静态（未工作时）
晶片两极板之间的等小
电容。

？
晶体的等效电路及说明
R：等效动态电阻，表述振荡过程中的能量损耗-----------对芯片端的驱动能力小值限制量化（R越小越容易起振，芯片负阻应该是R的6倍左右？）。

C0：静态（未工作时）晶片两极板之间的等小电容。

？
晶体的等效电路及说明
R：等效动态电阻，表述振荡过程中的能量损耗-----------对芯片端的驱动能力小值限制量化（R越小越容易起振，芯片负阻应该是R的6倍左右？）。

C0：静态（未工作时）
晶片两极板之间的等小
电容。

？
L：表示晶
片振动时
的惯性
晶振的等效电路及说明
R：等效动态电阻，表述振荡过程中的能量损耗-----------对芯片端的驱
C0：静态（未工作时）？
晶片两极板之间的等小电容。

动能力小值限制量化（R越小越容易起振，芯片负阻应该是R的6倍左
？右？）。

L：表示晶
片振动时
的惯性
C：表示晶片
振动时的弹性
晶体的等效电路及说明
手接触到晶体金属外壳会影响晶振的振荡频率，是如何变化的？
如何更加准确的测量晶振的频偏？
晶体的Q值为什么很高？
什么是负阻？
通常说的晶振（Crystal）严格的讲应该称为晶体；晶体在时钟电路中的作用究竟是什么？
晶体应用电路
晶体应用电路分析：
R2：电阻是为了使反相放大器工作在线性状态，一定程度上避免过驱动损坏晶振。

防止失真。

X1：晶体等效为一个并联谐振回路, 振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率.
C1&C2:晶体旁边的两个电容接地, 实际上就是电容三点式电路的分压电容, 接地点就是分压点. 以接地点即分压点为参考点;反馈系数可视情况调整。

(如：为增大XIN的幅度可减小XIN端电容，反之亦然。

）
R1: 输出端电阻；就晶体来看形成一个正反馈以保证电路持续振荡.
L1&C3：滤除基频，仅泛音晶体需要。

晶体应用电路说明：
晶振是如何起振的？（起振过程是怎样的）无负载电容可以起振吗？为什么要加负载电容？为什么是两个电容而不是一个电容？
晶振电路设计注意事项
谐振电路谐振频率的影响因素：温度、晶体负载电容、机械振动、振荡器负
载电容及负载R，电磁波）
晶振电路设计注意事项
1：选择合适的晶振：除选择合适频率外，非
常关键的参数包括：频率准确度，频率稳定度。

等效阻抗r。

2: 选择合适的负载电容：晶振的两个脚上和对
地的电容、芯片电路内部电容、PCB电容经验
值取3 pF左右，在产品调试阶段做针对性调整。

3：设计阶段样机的频率需要调整。

尽可能保
证输出和输入信号都是近似理想的正弦波为目标。

保证输出频率稳定。

晶振电路设计注意事项
4：晶振的温度特性非常重要。

频率调整需要给晶振温升漂移预留足够空间。

5：尽可能靠近芯片布局，尽可能减小回路面积，避免被干扰。

6：晶体布局要尽量远离热源。

（主芯片很热可以适当远离主芯片，）要考虑晶体的散热问题（如结合结构设计，注意气流方向，尽量避开布局在热源气流方向下游区域）。

7：从理论分析，很明显晶体的负载电容布局以串联的形式（电容接地脚接在一起）连接效果应该最好。

案例一：可靠性测试时出现丢包问题
某产品在测试高低温循环式出现丢包。

�
�问题分析：恒温测试（高温和低温测试）正常。

丢包的现象出现在温度变化时。

�经定位发现故障品的晶体在温度变化时，其阻抗存在跳变或飘逸超出芯片要求的范围，都会导致电路系统工作异常。

相似案例：在高温（60度环境）测试时，产品出�
现死机现象，部分晶振出停振。

�结论: 晶体是产品的心脏，一定要选择合格的供应商和产品。

案例二：敲击丢包
该问题是在某产品调测时无意中发现的；产品在�
工作时，若敲击或碰撞产品外壳，产品会出现丢包现象。

�问题原因分析：敲击产生机械振动，使晶体的振动受到影响，产生相位噪声。

芯片的时钟电路没有处理好，也就是说与芯片也有关系。

案例三：时钟电路信号异常问题�某产品在调测阶段发现的输入（IC的XOUT脚输出信号）晶体的信号存在
严重的削峰失真。

�原因分析：我们知道理想的话时钟应该是很好的正弦波，失真是因为反向放大器工作在非线性区域所致。

�解决办法：调整加大晶振输入脚的串联电阻阻值。

案例四：时钟电路的信号幅度调整�某产品在调测及段进行晶振频率调整时出现晶振输出信号较小（幅值为600mV,），而输出信号
不偏小（幅值为2.2V）
调整并联谐振的分压电容，将晶振输出Pin上连
�
接的电容值减小，加大晶振输出Pins连接的电容，保证等效串容不变；调整至期望的幅值即可。

此案例旨在说明如入处理时钟幅度太小的问题，�
比如幅度太小导致时钟电路不稳定，或导致系统会出现异常死机等。

案例五：温飘太大了
某产品在进行可环境可靠性试验时，WiFi出现无�
法扫描到SSID；也存在连接后出经常出现Pin包丢
包及断开连接的情况。

问题分析，通过局部加热定位到WiFi的频偏太
�
大，导致通信异常。

WiFi的频偏除受锁相环的直接影响外，还受参考时钟晶振温飘的影响。

WiFi产品普遍存在温飘的问题，功率，频偏均存�
在严重的考验。

首先要保证晶振的温度稳定性能能满足系统的要求。

WiFi功率该如何有效的补偿也非常重要，此处不�
做详细探讨。

谢谢大家。