孙宝宏

（阿尔派电子（中国）有限公司大连研发中心，辽宁 大连 116024）

针对晶体振荡器失效的分析与研究

孙宝宏

（阿尔派电子（中国）有限公司大连研发中心，辽宁 大连 116024）

本文首先介绍了晶体振荡器的结构、组成和分类，之后通过具体的案例，对晶体振荡器失效现象以及分析流程进行了分析研究，最终确定了发生失效现象的机理。

晶体振荡器；振荡电路；输出电路；失效分析

1 晶体振荡器的概述

石英晶体振荡器，简称晶振器，是利用有压电效应的石英晶体片制成的。石英晶体自从被发现到现在有近百年时间，二战后期才得到广泛使用。在受到外加交变电场作用时，晶振会表现出谐振的特性，利用这种性质它可以取代LC振荡电路、滤波器等。晶振体有很好的频率稳定性，所以一般在要求频率稳定的振荡电路中作为谐振元件使用。近年来，移动通信和汽车行业发展迅猛，基站建设和汽车电子行业对于石英晶体振荡器的需求也就更多，更是以集成化、数字化形式出现，振荡器的体积和重量与以前的谐振器相比缩小数十倍。

2 晶体振荡器的组成和分类

2.1 晶体振荡器的组成

2.1.1 振荡电路

晶体振荡电路分为并联和串联两种电路模式，一般使用的是并联晶体振荡电路。常用的振荡电路为克拉泼振荡电路，这是一种电容反馈三点式电路，它与考必兹振荡电路相比，在电感支路有一个电容，可以减小三极管对回路的影响，进一步提高振荡电路的频率稳定性。晶振体振荡电路如图1所示。

图1 晶振体振荡电路

2.1.2 输出电路

输出电路的主要作用是对振荡电路获得的信号进行缓冲、放大、整形，得到需要的输出，传输给后级门电路，经常会使用到逻辑电平转化电路和分频电路。

在表示输出正弦波电平时，需要住上谐波控制比，方波或矩形波输出电平应注明TTL、CMOS或者其它，是否要支流，还要表示出占空比、上升时间、下降时间等参数。

2.2 晶体振荡器的分类

（1）筒式晶振（PXO）（2）压控晶振（VCXO）（3）温补晶振（TCXO）（4）恒温晶振（OCXO）（5）组合晶振（VCXO、VCTCXO、VCOCXO）

3 晶体振荡器电路分析方法

当晶体振荡器元件无法使用后，首先要先将元件的各个参数进行标记，包括各引脚的特性，还要收集其输出波形、稳态工作电流、输出频率、引脚间的Ⅳ特性等数据信息，并将这些数据信息和完好的晶振体元件进行数据比对，初步判断元件失效的可能性。进行初步判断后，将晶振体进行开封，先使用用石英晶体测试仪判定谐振器是否有故障，检测恒温晶振中采用的谐振器时，要将谐振器的管脚与PCB板分离，延长管脚再进行测试，保证测量的准确性。对谐振器进行操作时，要保证谐振器可以恢复检测前的状态。近些年来，使用的贴片式普通晶振在侧端有测试点，不需要拆封就可以对晶振器进行检测。初步判断完后，接下来要测试振荡电路中的三极管，由于皮尔斯电路中的三极管基极和集电极之间有一个电容，所以根据这个特性在电路中比较容易找到。测试过程是使用示波器探测振荡器在动态工作时的波形，然后将谐振器断开测量静态工作点，将所测数据信息与正常数据进行比对，判断是否发生在静态工作点发生故障。输出电路部分出现故障的所表现出来的一般是无输出、输出异常和输出波形幅度较小等。在测试过程中，要先将谐振器断开，测试放大电路比较器的输入端，再测输出对地的Ⅳ特性或电阻值。若比较器输入电平异常，测试控制整形放大的电路故障；若输出对地的Ⅳ特性或电阻值异常，则大多是比较器芯片受损。对恒温电路的故障分析判断，可以通过测量元件表面温度来判断，若出现加电后没有没有明显升温或电流没有大幅度变化的情况，则可以判断此恒温电路失效，可以对热敏电阻和运算放大器进行单独测量比对分析。

4 晶体振荡器失效案例

4.1 静态工作点异常的案例

案例异常现象：晶体振荡器在静态模式下无输出信号。

案例处理过程：

（1）将元件开封，测试谐振器工作正常。

（2）测试皮尔斯电路中三极管基极、集电极和发射极，发现被测元件的静态工作点数据与完好的晶体振荡器有差别，可确认为确定静态工作点的电路失效。

（3）使用万用表等测试仪器判断静态工作点电路中哪个电子元件发生故障。

案例处理结果：1kΩ电阻失效，更换电阻后晶振器正常工作。

4.2 动态振荡电路失效的案例

案例异常现象：晶体振荡器在动态模式下无输出或异常输出。

案例处理过程：

（1）对被测元件进行开封电路分析，测试皮尔斯电路静态工作点工作是否正常。

（2）判断静态工作点工作正常，比较器输入电平正常。

（3）初步判断电路动态振荡电路异常。

（4）对影响电路的动态状态元件逐一检查，对各个接触点进行测试分析。

案例处理结果：电感线圈接头不牢，重新焊接紧密后，晶振器工作正常。

4.3 整形放大电路失效的案例

案例异常分析：三个晶体振荡器无法正常工作，晶振器A无输出信号，晶振器B输出波形异常，晶振器C输出波形的高电平偏低。

4.3.1 案例处理过程：

（1）对被测元件开封电路分析，初步判断静态工作点工作正常。

（2）测量三极管，判断静态工作点正常。

（3）断开谐振器，测试放大电路比较器的输入端。

（4）测量输出对地的Ⅳ特性和电阻值。

（5）更换怀疑故障电子元件，检查是否能够恢复正常工作状态。

4.3.2 处理结果：

三个失效品均是由于输出端过电，导致比较器芯片受损，振荡器失效。更换比较器后，晶体振荡器恢复正常工作。

结语

石英晶体振荡器的失效情形有很多，振荡器的各种失效所对应的表达形式各不相同，甚至有时几种故障同时发生，但只要对晶振体的结构和原理能够熟练掌握，就可以很快的确定真正的失效机理。

[1]赵声衡．石英晶体振荡器[M]．湖南：湖南大学出版社，1998.

[2]王军．石英晶体振荡器[J]．科技信息（科学教研），2007（24）：402-403.

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.087