标签: 晶振起振

随着电子设备不断向小型化发展，晶振也朝着小型化低功耗的趋势发展。今天凯擎小妹聊一下小型化对晶振的起振时间、相位噪声和抖动的具体影响。 1. 起振时间 起振时间是晶振开始工作并达到稳定振荡状态所需的时间，主要由晶体的谐振电阻和负性阻抗决定。 晶体的 谐振电阻 越小，起振越快。高品质的石英材料和精密切割技术可以减少晶体内部缺陷，提高品质因数Q值，从而减少起振时间。 负性阻抗 的大小由振荡IC和负载电容CL决定。在设计中合理选择负载电容和优化振荡IC，有助于在小型化条件下实现快速起振 2. 相位噪声 相位噪声是振荡信号频域内的不稳定，直接影响信号的纯净度和质量。 高Q值晶体 能够更好地滤除噪声信号，降低相位噪声。高Q值的小型化晶振可以实现低相位噪声的需求。 合理选择负载电容 并优化电路设计，平衡近端和远端相位噪声，是提高整体性能的关键。 驱动电路设计 可以减少电源噪声和电磁干扰对相位噪声的影响。采用低噪声放大器和稳压电源，可以进一步降低相位噪声。 3. 抖动 抖动是信号在时域内的不稳定，主要有电源质量和环境干扰引起的。 低噪声的电源 设计和滤波电路可以减少电源噪声对抖动的影响。稳定干净的电源是降低抖动的基础。 电磁干扰和射频干扰 是引起抖动的重要因素。小型化晶振需要在设计中考虑屏蔽和隔离技术，以减少外部干扰的影响。 如何选择合适的晶振 如果电子设备需要较大的负载和较强的驱动能力，尽量选择体积较大的晶体。在既要小体积又要驱动能力较强的情况下，可以选用驱动能力较高的振荡IC。同时，koan凯擎小妹建议您选择高品质因数的晶体，能够在低功耗条件下提供优异的相位噪声性能。

在晶振电路设计中，近端和远端的相位噪声会受到不同因素的影响。通常，晶振的近端相噪主要由晶体自身的参数决定，而远端相噪则更多地依赖于晶体匹配的振荡IC的特性。电性能参数，如起振时间、负载电容、负性阻抗，都对近端和远端相位噪声都有重要影响。 KOAN凯擎小妹建议优先确保近端的稳定性，同时通过适当减少晶体电流和负载电容来改善近端相噪。另外，通过增加电流可以优化远端的相噪表现。在设计晶振电路时，建议根据应用需求在相噪、起振时间和负载电容之间进行合理权衡，以优化电路性能。 1. 起振时间(T) 起振时间的长短主要由晶体的谐振电阻和振荡器的负性阻抗共同决定。高Q值的晶体谐振电阻较小，因此起振速度更快。公式如下， 其中谐振电阻R，负电阻Rˉ、动态电感L、动态电容C1、频率ω、k为常数(12~30)： 2. 负性阻抗(Rˉ) KOAN振荡器的负性阻抗通常设计为晶体谐振电阻的3至20倍，这样可以有效加快起振过程并提高振荡的稳定性。负性阻抗的倍数越高，起振速度越快。 其中：gm为跨导，与振荡IC的设计相关。在负载电容CL较小的情况下，增加 gm的值可以提高负性阻抗，从而加快起振。 3. 负载电容(CL) 负载电容的大小不仅影响振荡器的负性阻抗，还会对近端和远端相噪带来不同的影响： 小的CL ：较小的负载电容使负性阻抗变大，起振速度更快，牵引量更大，但同时也更容易受到杂散电容的影响。这对近端相噪有利，但可能增加远端相噪。 大的CL ：较大的负载电容会减小负性阻抗，导致起振速度较慢，但杂散电容的影响较小，有助于提升远端相噪的稳定性，可能对近端相噪不利。

晶体振荡器利用石英晶体的压电效应来产生非常稳定且精确的振荡频率。为什么晶振在受热后，会出现频率不稳定，甚至有时会起振或停振的现象呢？ 起振: 在温度升高的情况下，有些晶振会开始振荡。有以下几点原因： 频率温度特性：晶振的频率会随着频率温度曲线变化。 电路温度系数：电路中的电容或者电感值会随着温度变化而变化，从而影响振荡条件。 热膨胀效应：晶振的封装和材料在受热时会膨胀或者收缩，导致晶体的物理尺寸变化，从而影响晶体的谐振频率和振荡条件。 停振: 晶振在温度升高后停止振荡的现象被称为停振，可能由以下几个原因引起： 振荡条件的变化：振荡电路必须满足特定的相位和增益条件才能维持振荡。温度变化可能改变电路参数，使振荡条件不再满足，进而停止振荡。 温度过高引起的损伤:过热会损坏晶振或其周围的电路元件，可能永久改变晶体的电学特性，导致振荡停止。 电路中的热漂移:温度变化会引起电路元件性能漂移，使电路不能再维持振荡所需的条件。 封装应力变化:温度变化会导致晶振封装材料的应力变化，影响晶体的机械共振特性和振荡能力。 预防和解决措施: 要避免或减轻晶振在温度变化下的起振或停振问题，可以采取以下措施： 1.选择合适的晶振：根据应用环境选择具有适当温度稳定性的晶振，或者使用TCXO或OCXO来提供更高的温度稳定性。 温补晶振TCXO使用一个内部温度传感器和补偿电路来检测环境温度，并调整晶体的振荡频率，以抵消温度变化的影响。这种补偿是动态的，随着温度的变化实时调整。 恒温晶振OCXO是用电路控制温度。内部恒温箱可以把稳定度控制的非常严格。OCXO在启动时需要进行一个热启动过程达到振荡起振所需的起振条件。恒温晶振的产品规格书上会注明”预热时间“。 2.优化电路: 确保振荡电路在宽温度范围内能够稳定工作，选择低温漂的元件，适当调整电路参数以适应温度变化。 3.散热: 通过适当的散热措施控制电路温度，避免晶振和其他元件过热。

晶振起振问题，晶振的负载电容匹配可能不合适，导致晶振不起振。 现象： 系统工作偶尔不正常。   最近在一个项目中，遇到一个很奇怪的问题。 系统偶尔会不工作。 而且跑了四个周的系统，中间出现过一次。后来不知道怎么恢复了。 当今天再次遇到，感觉这种情况，肯定是哪里有问题，不可能是运气使然。   这里将问题最终归结到晶振上，是因为问题的可重复性。 在第一次出现时，尽管在其他地方都进行过测量，但是没有怀疑到晶振上，所以一直没有将问题再次重现(后来莫名系统恢复了正常)。 如果，问题没有重现，就无法分析问题。因为可能的地方太多。 而这次问题再次出现时，只有当在晶振上触碰时，问题得到了重现，因此证明跟晶振这里有问题。   测试分析过程： 首先万用表测量AD输出引脚（串行输出，连接MCU），AD输出端没有转换完成信号（一个下降沿）出现。 这个时候，如果人为将AD输出端拉低，系统工作正常。 所以，MCU端应该没有出现异常。 但是，AD端很长一段时间都是工作正常的，为什么突然工作出现了异常。 在用示波器测试了各个地方之后，最终怀疑到了晶振上。 当将示波器探头放到XTAL1上时，系统恢复正常工作。如果将探头拿下，则系统不再工作。 由此断定，系统工作异常的原因，出现在晶振起振上。 后来先将负载电容调大一些，发现依然无法起振。 之后将负载电容调小了一些，晶振起振。系统恢复正常工作。   注： 对于晶振引起的问题很多时候很难发现， 这个要十分注意。 当其他地方，都检测过没有之后，可能就要考虑晶振问题了。 并联电容， 接地， 晶振不良率，都有可能导致晶振起振出现问题。   http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_17528.HTM?jumpto=view_welcomead_forum_1373989628633 这个博客，值得好好看看。