【技术大神】如何解决无源晶体电路的不起振问题？

晶振即晶体振荡器，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片）。石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振，而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃、陶瓷或塑料封装的。

晶振一般具有以下几大应用：
1）通用晶体振荡器，用于各种电路中，产生振荡频率。
2）时钟脉冲用石英晶体谐振器与其它元件产生标准脉冲信号，广泛用于数字电路中。
3）微处理器用石英晶体谐振器。
4）CTVVTR用石英晶体谐振器。
5）钟表用石英晶体振荡器。

本文我要讲的是在产品开发过程中，特别是现在的智能产品中都会使用一颗及以上的CPU或MCU，不管哪种IC往往都会用到晶体振荡器。晶体振荡器可以说是处理器的时钟，有着稳定的频率，是一个标准源，没有它的话，程序会乱跑，也不可能运行。特别是在-40℃～+85℃的温度范围内要求误差在±20ppm之间的处理器必须使用外接晶振。

EPSON的全系列晶振就适合温度范围宽高精度的场合。

石英晶体选型的注意要项
在选择石英晶体的时候需要注意以下参数：
• 频率（标准频率F、容差）
• 电阻（RR）
• 电容（C0、C1）
• 负载（CL）
• 激励电平相关性（DLD2、RLD2）
• 温度频率特性（FL-T）
• 寄生振荡（spdb）
• 工作温度范围
• 存储温度范围

一般采用网络分析仪测试石英晶体的电性能，在电路板上的测试方法如下：
1）采用HP专用仪器通过感应头测试输出频率。该方法的优点是频率准确；缺点是设备昂贵。

2）电阻法：晶体2端并联一个可调电阻，调整电阻大小直到电路不工作，可以确定晶体电阻。该方法的优点是简单实用。

3）示波器方法：测定头串联1-2PF电容，然后探测频率。该方法测试的频率误差在5ppm内。

最基本的参数确定：
1）频率：根据实际的情况和体积大小选择合适的频率。

2）电阻：在晶体一端串联一个可调电阻，采用示波器方法，调整阻值，直到波形消失。此时的可调电阻值为电路允许的最大电阻值，一般为了让电阻稳定工作，取最大电阻值的1/3～1/5来规定晶体的最大值。

3）负载：根据晶体的使用或电容值来确定。

晶体的使用
1）晶体两端连接电容接地，此乃最基本的方式。
2）晶体一端接地，一端接电容。
3）晶体接在2个IC之间。

说到这里，我们如果简单地按晶体规格书提供的匹配电容设计那就错误了。如下就是我们使用Epson的晶振FC-12D与某品牌MCU在生产中出现的问题排查及解决方案。

问题现象：CPU运行一段时间后晶振停振导致程序跑飞。
通过实验的方法查找可能原因：
1）将不能起振机器的电容更换不同品牌电容，焊接完毕全部起振，室温下放置一段时间后，仍有不起振现象，排除。

2）补焊MCU晶振输入引脚与晶振引脚，部分采集器恢复起振，室温下放置一段时间后，原来起振的晶振又出现不起振现象，排除。

3）怀疑附近的芯片晶振影响，将附近芯片使用的晶振卸下，重新上电仍然不起振，排除。

4）怀疑变压器对晶振的影响，将晶振与变压器分开一段距离，发现仍不能起振，排除。

5）怀疑晶振本身不稳定，轻敲不起振晶振外壳，重新上电，有时能起振，有时不能起振。

6）将万用表探头或示波器探头接近晶振信号（不接触），改变分布电容，有时能起振，有时不能起振。

7）用电吹风给不能起振的晶振吹热风加热，部分机器恢复起振，室温下放置一段时间后，原来起振的晶振又出现不起振现象。

根据以上实验可见，晶振对环境很敏感，稍微改变一下环境，就可能改变起振情况。

检查晶振参数：
1）频率32.768KHz，符合MCU的输入范围；
2）工作温度范围–40 to +85℃，实际温度未超过这个范围；
3）焊接方式：波峰焊温度260℃±5℃，浸溃时间2s±0.5s，符合规格书要求；
4）负载电容：规格书要求12pF，实际焊接2个参数“0603-50V-20pF±5% NPO”，按照负载电容算法，取分布电容5pF计算，满足负载电容要求；
5）增益裕量计算：

gmcrit是晶振本身参数，计算公式：

gmcrit=4×ESR×（2πF）2×（CO+CL）2

代入参数，计算得，gmcrit=0.56mA/V；

通过模拟测试得到：

gm=2.63mA/V；

gainmargin=4.7；

得出gainmargin不满足此MCU要求的大于5的增益要求。

解决方法提高增益，把负载电容更换更小容量提高增益，达到MCU更容易起振，最后更换为2个参数“0603-50V-15pF±5% NPO”的电容，经批量测试500台一个星期后均未出现停振现象，问题到此解决。

作者：潘龙