晶振选型主要参数和步骤

晶振不迷茫

之所以写这篇文章，是在做一个项目时发生了部分产品有时不晶振不起振的情况，小批100个，就发现有一两个产品上电不工作，要再次上电才正常，为解决这个问题，拿这100个多次测试，发现是随机的，有点摸不着头脑，客户订单已下，催着交货，搞得彻夜未眠!最后费了九牛二虎之力才最终解决，得以产品的量产。这里总结一条铁律：只要发现过的问题抱有侥幸心态而没解决，量产时一定会找上门来，上帝似乎很公平，从来不会放过粗心的人!并且会善待仔细认真的人!

下面从，晶振参数，MCU规格书与晶振下关的内容，逐步说明晶振如何选型，原厂如何测试哪些参数，特殊情况如何处理，大家一起共同进步!

目 录
1.晶振选型主要参数
2.MCUdatasheet上与晶振相关的参数
3.晶振选型步骤
3.1.几个重要的公式:
3.2.晶振选型步骤
4.晶振厂如何测试晶振
4.1.杂散电容计算
4.2.外挂电容的计算
4.3.驱动功率的计算
4.4.负性阻抗的计算
5. 特殊情况应对

1.晶振选型主要参数

晶振规格书上的主要参数:

1)频率f

2)激励功率DL

3)负载电容CL

4)精度ppm

5)等效串联电阻ESR

6)等效串联电容C1

7)等效并联电容C0

规格外的参数,负性阻抗:/-R/

截起EPSON规格书图片如下:

2.MCUdatasheet上与晶振相关的参数

1)跨导(gm)

截起STM32L051C8T6规格书,如下图:

3.晶振选型步骤

3.1.几个重要的公式:

1)负载电容表达式:

负载电容是指与晶体振荡器相连的电路中的所有电容。它的值取决于外接电容CL1、CL2，以及PCB和连接点上的杂散电容(Cs)。负载电容CL由晶体制造商指定。值得注意的是，若要得到精确的频率，振荡器电路的负载电容必须与所需要的值相等;若要频率保持稳定，则负载电容必须稳定。外接电容CL1和CL2就是为了把负载电容调校为制造商所指定的CL值。

2)增益裕量:

增益裕量是一个关键参数，它决定着振荡器是否能够起振。

gm 是反向器的跨导(在高频模块中的单位是mA/V，在32KHz低频模块中的单位是μA/V)

gmcrit(gm 的临界值)，取决于晶体的参数。假设CL1 = CL2，并且晶体上的负载电容与制造商的给定值完全一样。

反向器的跨导(gm)的值必须满足gm>
gmcrit，这是振荡器能够正常运行的必要条件。通常认为，增益裕量值为5是保证振荡器有效起振的最小值。

3)驱动功率DL:

Drive Level = Irms2 * RL

RL=ESR*(1+C0/CL)2 (RL表示电抗:即阻抗，容抗和感抗的和)

驱动功率是指石英晶体单元的消耗功率，其单位是微瓦(μW)，可透过量测流经石英晶体的电流，再换算求出它所消耗的功率。功率量测值应该要小于个别晶体组件在规格上所定义的最大值。

一个振荡线路在设计上必须提供适当的功率，以让石英晶体单元开始起振并维持振荡。

此功率应该越小越好，除了能更为省电外，也和线路的安定性及石英晶体的寿命有关。振荡线路若提供过高的驱动功率，也会使石英晶体的非线性特性发生变化，以及造成石英/电极/接着材料的接口恶化，进而造成振荡频率和等效阻抗的过度变化。当石英晶体长时间在过高的驱动功率下工作，会出现不稳定的现象。以32kHz
的石英晶体单元來說，当驱动功率过大时，有可能导致内部音叉型晶体的断裂;对于MHz 等级的AT
型晶体來說，则可能产生跳频现象，并影响石英晶体的寿命及可靠度。

4)负性负抗:|-R|=Rs+RL

负性阻抗代表振荡线路的起振余裕狀况，也就是这个线路的健康度，即石英晶体在驱动下容不容易被起振。负性阻抗并非真实发生的阻抗值，而是在石英晶体旁边外加一个电阻(RS)，去仿真石英晶体内部的ESR
被加大时，整个振荡线路是否仍能被正常起振。负性阻抗的量测值越大越好，这表示此一振荡线路越容易被起振;负性阻抗值不足时，则表示此一振荡线路会有起振过慢的现象，甚至可能导致不起振的狀况发生。负性阻抗的判断基本值是石英晶体最大ESR
值的3~5 倍。

3.2.晶振选型步骤

步骤一：计算增益裕量

选择一个晶体，然后找到控制器的参考手册(选择晶体+微控制器数据手册,)计算微控制器中振荡器的增益裕量，查看它是否比5大:

例：，为某微控制器中gm值为25 mA/V的振荡器做设计时，我们选择了具有以下特性的石英晶体：frequency = 8 MHz，C0 = 7
pF，CL = 10 pF，ESR = 80，问此晶体是否可以用于此微控制器?(以上参数从晶振规格书取得)

我们首先计算一下gmcrit，

然后计算gainmargin，

可见，gainmargin值远大于5，满足起振条件，能够起动振荡器。晶体能够正常振荡。

如果计算后发现gainmargin值不合适(增益裕量gainmargin值小于5)，则达不到振荡条件，晶体将不能振荡。这时你只能再选择一个有更低ESR和/或有更低CL值的晶体了。

步骤二：计算外挂负载电容

计算CL1和CL2，查看是否能够在市场上买到它们：

如果你能买到与你的计算值完全一样的电容，振荡器就会工作在预期的频率上，你可以进入步骤三了。

如果你没有买到那个值的电容，并且：

1. 频率精度对你而言非常关键，你可以使用一个可调电容以获得精确的值。然后你可以进入步骤三了。
2. 你对频率精度的要求并不严格，就选择一个在市场上能买到的值最接近的电容，然后进入步骤三。

步骤三：计算驱动功率和外接电阻

计算DL，然后比较它与DLcrystal谁大谁小：

1)如果DL < DLcrystal，不需要增加外接电阻。恭喜你选到了一个合适的晶体!

2)如果DL > DLcrystal，你应该再计算RExt以满足DL <
DLcrystal。然后你还需要把RExt代到增益裕量的计算公式中重新计算增益裕量。

如果增益裕量>5，恭喜你，你找到了一个合适的晶体!

如果增益裕量太小，这个晶体将不能正常工作，你只能再重新选择一个晶体了。回到步骤一，选择一个新的晶体吧!

4.晶振厂如何测试晶振

下面以Epson为例，介绍晶振厂如何测试晶振：

晶振测试，Epson称之为CE(crystal evaluation)测试,主要评估无源晶振回路特性，

通过调节负载电容CL来等评估频偏

通过负性阻抗|-R|来判断起振能力

通过驱动功率DL来判断是否过驱

下图是晶振电路示意图：

4.1.杂散电容计算

由公式：CL=(Cg//Cd)+Cs

CL=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)+Cs

其中Cs表示杂散电容。

例：当CL=12.5pf,Cg=Cd=18pf,测量的频率差接近0ppm,时，此时的

Cs=12.5-9=3.5(pf)

说明：Cs经验值为：3.5-8PF

4.2.外挂电容的计算

当发现频率正偏或负偏时，如何调整外挂电容?

原理：电容容值越大，放电越慢

电容容值越小，放电越快。

1)当测得的频偏是-ppm时(负偏)，减小电容容量，一般同时减小Cg,Cd

2)当测得的频偏是+ppm时(正偏)，增大电容容量, 一般同时增大Cg,Cd

当不到两个相同且合适的Cg,Cd时，Cg,Cd可以一大一小。

4.3.驱动功率的计算

DL = Irms2 * RL

RL=ESR*(1+C0/CL)2

Irms可以用电流夹来测试，RL为整个回路的等效电抗，C0,CL可以从晶振的规格书算得，算得的实际值小于晶振规格书的电大驱动功率!

4.4.

负性阻抗的计算

公式如下：

|-R|=Rs+RL

RL=ESR (1+C0/CL)2

Rs为从0调整到晶振电路不起振时，对应的电阻值，

晶振厂先测得Rs,再算得RL，最后得出负性阻抗的值，

这个值必须大于5倍的ESR,才能保证晶振稳定地起振。

说明：Rf是晶振电路的反馈电容，让反馈电路处于放大电路的线性区，Rd为限流电阻 ，此电阻可以防止晶振过驱。

下方为epson原厂的测试报告：

5.特殊情况应对

以面几节内容分别来自于ST的官方指导文件，以及Epson原厂的指导文件，实际选取晶振时，我们因为不可能先进行测试晶振的参数，因为我没法测驱动功率和负性阻抗，因此只能按ST提供的选取晶振的方法。那么当按照他们给定的方法选取时，并不能保证100%就可以。

例于：ECP-GW-2项目

MCU型号为：STM32F103RCT6.

Datasheet提供的gm规格如下：

晶振选型为：FC-135R 32.768KHZ,6PF,20PPM

gainmargin=11.6994031

这个值选大于5，但还是存在不振起的现像。

存大两大疑点：

1)晶振会不会不型号不对?：让原厂核对丝印，是对的。

2)板子LAYOUT会不会有问题?

这个LAYOUT走线短，没有什么问题的。

方法一：

但在晶的振两端并上16-20M的电阻，可以解决上面的问题，原理分析如下：

1.并上一个电阻后，ESR是减小的，

从|-R|>5ESR看，减小ESR是有利于起振的

从：

看

减小ESR,相当于增大gain margin,这个值ST要求大于5的

方法二：

有的MCU的gm有几个档位，增大gm，也可以避免晶振不起振的问题。但像STM32F103RCT6这颗MCU，gm只有一档。