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）

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.

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.087