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：
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。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，你应该再计算rext以满足dl 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。
昇腾AI框架全栈深度介绍
舞台灯光RGB三色PWM调光低压宽压输入定时调光定频率调光SMD803
非标自动化设备制造厂的质量控管
7首旋律+欢迎光临、欢迎惠顾”语音，集成电路原理图
富士康打造全球最大植物工厂，从5月开始就可以吃到自家种植的蔬菜
晶振选型主要参数和步骤
5G部署提速 安全漏洞问题仍为重要
芯华章完成A+轮融资,全力展开EDA 2.0研发
如何在Arduino中实现I2C通信
大神分享 X3派+大疆无人机-SLAM单目建图.ROS包制作
列车以太网接口方案
恩智浦与中科虹霸建立战略合作
碎片化的IoT市场可以扩展吗？
应用在发动机尾气处理系统中的氮氧化物调理芯片
无源型信号隔离器现场应用|信号隔离器-无源信号隔离器-二线制信号隔离器
Craig Wright这样的问题给我们带来了哪些启示？
小米已经调整明年的订单，似乎有与华为一决高下的意思
WiFi信号属于杂散能源 尚难实现万物通电即可互联
提高压力控制器的使用准确率的方法
可通过手机APP调节温度还能无线充电的鞋垫
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：
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。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，你应该再计算rext以满足dl 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。
昇腾AI框架全栈深度介绍
舞台灯光RGB三色PWM调光低压宽压输入定时调光定频率调光SMD803
非标自动化设备制造厂的质量控管
7首旋律+欢迎光临、欢迎惠顾”语音，集成电路原理图
富士康打造全球最大植物工厂，从5月开始就可以吃到自家种植的蔬菜
晶振选型主要参数和步骤
5G部署提速 安全漏洞问题仍为重要
芯华章完成A+轮融资,全力展开EDA 2.0研发
如何在Arduino中实现I2C通信
大神分享 X3派+大疆无人机-SLAM单目建图.ROS包制作
列车以太网接口方案
恩智浦与中科虹霸建立战略合作
碎片化的IoT市场可以扩展吗？
应用在发动机尾气处理系统中的氮氧化物调理芯片
无源型信号隔离器现场应用|信号隔离器-无源信号隔离器-二线制信号隔离器
Craig Wright这样的问题给我们带来了哪些启示？
小米已经调整明年的订单，似乎有与华为一决高下的意思
WiFi信号属于杂散能源 尚难实现万物通电即可互联
提高压力控制器的使用准确率的方法
可通过手机APP调节温度还能无线充电的鞋垫