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    針對晶體振蕩器失效的分析與研究

    2014-01-24 03:36:06孫寶宏
    中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2014年4期
    關(guān)鍵詞:振蕩電路晶振諧振器

    孫寶宏

    (阿爾派電子(中國)有限公司大連研發(fā)中心,遼寧 大連 116024)

    針對晶體振蕩器失效的分析與研究

    孫寶宏

    (阿爾派電子(中國)有限公司大連研發(fā)中心,遼寧 大連 116024)

    本文首先介紹了晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)、組成和分類,之后通過具體的案例,對晶體振蕩器失效現(xiàn)象以及分析流程進(jìn)行了分析研究,最終確定了發(fā)生失效現(xiàn)象的機(jī)理。

    晶體振蕩器;振蕩電路;輸出電路;失效分析

    1 晶體振蕩器的概述

    石英晶體振蕩器,簡稱晶振器,是利用有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。石英晶體自從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在有近百年時間,二戰(zhàn)后期才得到廣泛使用。在受到外加交變電場作用時,晶振會表現(xiàn)出諧振的特性,利用這種性質(zhì)它可以取代LC振蕩電路、濾波器等。晶振體有很好的頻率穩(wěn)定性,所以一般在要求頻率穩(wěn)定的振蕩電路中作為諧振元件使用。近年來,移動通信和汽車行業(yè)發(fā)展迅猛,基站建設(shè)和汽車電子行業(yè)對于石英晶體振蕩器的需求也就更多,更是以集成化、數(shù)字化形式出現(xiàn),振蕩器的體積和重量與以前的諧振器相比縮小數(shù)十倍。

    2 晶體振蕩器的組成和分類

    2.1 晶體振蕩器的組成

    2.1.1 振蕩電路

    晶體振蕩電路分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種電路模式,一般使用的是并聯(lián)晶體振蕩電路。常用的振蕩電路為克拉潑振蕩電路,這是一種電容反饋三點式電路,它與考必茲振蕩電路相比,在電感支路有一個電容,可以減小三極管對回路的影響,進(jìn)一步提高振蕩電路的頻率穩(wěn)定性。晶振體振蕩電路如圖1所示。

    圖1 晶振體振蕩電路

    2.1.2 輸出電路

    輸出電路的主要作用是對振蕩電路獲得的信號進(jìn)行緩沖、放大、整形,得到需要的輸出,傳輸給后級門電路,經(jīng)常會使用到邏輯電平轉(zhuǎn)化電路和分頻電路。

    在表示輸出正弦波電平時,需要住上諧波控制比,方波或矩形波輸出電平應(yīng)注明TTL、CMOS或者其它,是否要支流,還要表示出占空比、上升時間、下降時間等參數(shù)。

    2.2 晶體振蕩器的分類

    (1)筒式晶振(PXO)(2)壓控晶振(VCXO)(3)溫補(bǔ)晶振(TCXO)(4)恒溫晶振(OCXO)(5)組合晶振(VCXO、VCTCXO、VCOCXO)

    3 晶體振蕩器電路分析方法

    當(dāng)晶體振蕩器元件無法使用后,首先要先將元件的各個參數(shù)進(jìn)行標(biāo)記,包括各引腳的特性,還要收集其輸出波形、穩(wěn)態(tài)工作電流、輸出頻率、引腳間的Ⅳ特性等數(shù)據(jù)信息,并將這些數(shù)據(jù)信息和完好的晶振體元件進(jìn)行數(shù)據(jù)比對,初步判斷元件失效的可能性。進(jìn)行初步判斷后,將晶振體進(jìn)行開封,先使用用石英晶體測試儀判定諧振器是否有故障,檢測恒溫晶振中采用的諧振器時,要將諧振器的管腳與PCB板分離,延長管腳再進(jìn)行測試,保證測量的準(zhǔn)確性。對諧振器進(jìn)行操作時,要保證諧振器可以恢復(fù)檢測前的狀態(tài)。近些年來,使用的貼片式普通晶振在側(cè)端有測試點,不需要拆封就可以對晶振器進(jìn)行檢測。初步判斷完后,接下來要測試振蕩電路中的三極管,由于皮爾斯電路中的三極管基極和集電極之間有一個電容,所以根據(jù)這個特性在電路中比較容易找到。測試過程是使用示波器探測振蕩器在動態(tài)工作時的波形,然后將諧振器斷開測量靜態(tài)工作點,將所測數(shù)據(jù)信息與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,判斷是否發(fā)生在靜態(tài)工作點發(fā)生故障。輸出電路部分出現(xiàn)故障的所表現(xiàn)出來的一般是無輸出、輸出異常和輸出波形幅度較小等。在測試過程中,要先將諧振器斷開,測試放大電路比較器的輸入端,再測輸出對地的Ⅳ特性或電阻值。若比較器輸入電平異常,測試控制整形放大的電路故障;若輸出對地的Ⅳ特性或電阻值異常,則大多是比較器芯片受損。對恒溫電路的故障分析判斷,可以通過測量元件表面溫度來判斷,若出現(xiàn)加電后沒有沒有明顯升溫或電流沒有大幅度變化的情況,則可以判斷此恒溫電路失效,可以對熱敏電阻和運算放大器進(jìn)行單獨測量比對分析。

    4 晶體振蕩器失效案例

    4.1 靜態(tài)工作點異常的案例

    案例異?,F(xiàn)象:晶體振蕩器在靜態(tài)模式下無輸出信號。

    案例處理過程:

    (1)將元件開封,測試諧振器工作正常。

    (2)測試皮爾斯電路中三極管基極、集電極和發(fā)射極,發(fā)現(xiàn)被測元件的靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)與完好的晶體振蕩器有差別,可確認(rèn)為確定靜態(tài)工作點的電路失效。

    (3)使用萬用表等測試儀器判斷靜態(tài)工作點電路中哪個電子元件發(fā)生故障。

    案例處理結(jié)果:1kΩ電阻失效,更換電阻后晶振器正常工作。

    4.2 動態(tài)振蕩電路失效的案例

    案例異常現(xiàn)象:晶體振蕩器在動態(tài)模式下無輸出或異常輸出。

    案例處理過程:

    (1)對被測元件進(jìn)行開封電路分析,測試皮爾斯電路靜態(tài)工作點工作是否正常。

    (2)判斷靜態(tài)工作點工作正常,比較器輸入電平正常。

    (3)初步判斷電路動態(tài)振蕩電路異常。

    (4)對影響電路的動態(tài)狀態(tài)元件逐一檢查,對各個接觸點進(jìn)行測試分析。

    案例處理結(jié)果:電感線圈接頭不牢,重新焊接緊密后,晶振器工作正常。

    4.3 整形放大電路失效的案例

    案例異常分析:三個晶體振蕩器無法正常工作,晶振器A無輸出信號,晶振器B輸出波形異常,晶振器C輸出波形的高電平偏低。

    4.3.1 案例處理過程:

    (1)對被測元件開封電路分析,初步判斷靜態(tài)工作點工作正常。

    (2)測量三極管,判斷靜態(tài)工作點正常。

    (3)斷開諧振器,測試放大電路比較器的輸入端。

    (4)測量輸出對地的Ⅳ特性和電阻值。

    (5)更換懷疑故障電子元件,檢查是否能夠恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

    4.3.2 處理結(jié)果:

    三個失效品均是由于輸出端過電,導(dǎo)致比較器芯片受損,振蕩器失效。更換比較器后,晶體振蕩器恢復(fù)正常工作。

    結(jié)語

    石英晶體振蕩器的失效情形有很多,振蕩器的各種失效所對應(yīng)的表達(dá)形式各不相同,甚至有時幾種故障同時發(fā)生,但只要對晶振體的結(jié)構(gòu)和原理能夠熟練掌握,就可以很快的確定真正的失效機(jī)理。

    [1]趙聲衡.石英晶體振蕩器[M].湖南:湖南大學(xué)出版社,1998.

    [2]王軍.石英晶體振蕩器[J].科技信息(科學(xué)教研),2007(24):402-403.

    TN75

    A

    10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.087

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