田永盛，杜良楨

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 引言

石英晶體振蕩器是單板的心臟，卻也是質量問題的大戶。業(yè)界對晶振器件失效分析的研究，往往僅局限于諧振器、工藝等方面，對其內部電路部分的失效研究則相對較少。本文是作者在晶振器件電路失效分析方面的一點體會，希望能夠拋磚引玉，幫助大家提升對晶振器件的認識。

2 石英晶體振蕩器的電路結構

由于器件體積的原因，石英晶體振蕩器的電路結構相對于其它電子產(chǎn)品較簡單，其電路結構如圖1所示，可分為振蕩電路、整形放大電路、壓控電路（壓控晶振專有）、溫補電路（溫補晶振專有）、恒溫電路（恒溫電路專有）、頻率選擇電路和AGC電路幾部分。以下就逐一對上述電路進行簡要的分析。

圖1 晶振器件的電路結構圖

2.1 振蕩電路

振蕩電路是石英晶體振蕩器的核心，文獻中提到的振蕩電路的拓撲方式總共有8種，其中并聯(lián)晶體振蕩器5種（分別為皮爾斯電路、柯爾匹茲電路、克拉普電路、密勒電路和c-e電路），串聯(lián)晶體振蕩器2種（巴特勒電路、希格勒電路）和門振蕩器電路（可接為并聯(lián)晶體振蕩器，也可接為串聯(lián)晶體振蕩器）。事實上，只要振蕩電路中三極管的CE極間和BE極間的器件是同性的（同是感性或同是容性），振蕩電路即可滿足振蕩條件，可以起振。

在普通的晶體振蕩器（SPXO）中，基本上都是采用了門振蕩器的方式，其電路部分被集成在一片IC之中，由于國內對于IC芯片的研究手段尚不完善，在業(yè)界，此類形式的電路失效分析尚處在摸索階段，比較常用的分析方式有：1）測試IC的負阻值是否比諧振器的諧振阻抗大3倍以上；2）采用DPA分析，檢測鏡檢芯片有無過電、靜電擊傷和破損等。

在對指標要求較嚴的晶體振蕩器中，無一例外地采用了皮爾斯電路，這是因為在幾種拓撲方式中，皮爾斯電路的在線Q值最高，而且決定其靜態(tài)工作點的器件，不會對電路的動態(tài)工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，其唯一的缺點就是內部的諧振器不接地，致使頻率微調電容無一端接地，安裝和使用時有些不方便，但瑕不掩瑜，此電路一直是工業(yè)級石英晶體振蕩器設計時的首選。

圖2 皮爾斯振蕩器電路拓撲

2.2 整形放大電路

由于振蕩電路產(chǎn)生的波形都是幅度比較小的正弦波，而振蕩器的輸出波形往往要求的是方形，所以在振蕩器的輸出端，都需要一個整形放大電路，將正弦波整形成方波，并將振蕩的幅度放大至要求的電平。

這一部分的電路，基本上都是使用一個比較器電路。比較器的負輸入端設定為一個固定電壓值，也有的芯片將比較器的負輸入端內置，并接于一個電壓基準，而比較器的正輸入端通過串聯(lián)一個電容接到振蕩電路的輸出，通過比較器對電平的比較，將正弦波整形放大為所需的方波。

2.3 壓控和溫補電路

這兩部分電路實現(xiàn)的功能不同，但電路實現(xiàn)的原理卻是相似的，都是通過改變變容二極管兩端的電壓，繼而改變變容二極管的電容值，最終達到控制振蕩器的輸出頻率的目的。壓控晶振是通過直接改變壓控端的電壓來實現(xiàn)的，模擬溫補晶振是通過電路中的熱敏電阻隨溫度變化使其自身的電阻值發(fā)生變化，繼而改變加在變容二極管兩端的電壓來實現(xiàn)的；數(shù)字溫補晶振是通過單片機對環(huán)境溫度采樣，繼而改變加在變容二極管上的單片機的輸出電壓來實現(xiàn)的。

典型的壓控晶振電路如圖3所示：

圖3 典型的壓控晶振電路

2.4 恒溫電路

為了讓諧振器工作在其溫度頻率曲線的拐點上，恒溫晶振必須要有恒溫電路，其工作原理是，當外界環(huán)境溫度變化時，恒溫電路通過監(jiān)控熱敏電阻兩端的電壓變化，修正加熱諧振器的功率管（可能為晶體管或MOSFET）上的功耗，實現(xiàn)恒定諧振器溫度的目的，以減小溫度對頻率的影響。

溫控電路一般分為三部分：

1）由熱敏電阻充當探測器，探測晶體溫度以及晶振內部環(huán)境溫度；

2）由功率管及附屬電路構成的加熱電路，對晶體進行加熱；

3）由運放、三極管及附屬電路等構成的控制、保護電路，對加熱電流進行控制。

使用AT切晶體設計的恒溫晶振，內部恒溫點溫度一般控制在AT切晶體的高溫度拐點處，約為70～80℃；使用SC切晶體設計的恒溫晶振，內部恒溫點溫度一般控制在SC切晶體的低溫度拐點處，約為75～85℃。

2.5 頻率選擇電路和A.G.C電路

SC切諧振器的頻譜比較復雜，它除了有單轉角切型的頻譜之外，還存在A、B、C 3種振動模式。被采用的僅是具有零溫度系數(shù)點的C振動模式。其它不需要的振動模式必須加以抑制。它的B模振動要重點關注，因為B模的振蕩頻率只比C模高9.4%，而且其等效串聯(lián)電阻和C模相當，有時甚至比C模電阻還小。另外，有些晶體振蕩器，需要諧振器工作在泛音工作模式下，有些晶體振蕩器，需要對諧波加以抑制，以上種種情況，都需要在電路中設計頻率選擇電路。

頻率選擇電路的工作原理一般為：對于需要抑制的振動模式，通過頻率選擇電路來破壞振蕩器的相位平衡條件；對于需要的振動模式，則通過頻率選擇電路來滿足相位平衡條件，振蕩器可以起振。

在長期使用后，頻率選擇電路中的電容和電感的參數(shù)可能會發(fā)生一些漂移；在測試中也發(fā)現(xiàn)有些電容或電感的參數(shù)對某些外界條件是敏感的。如果構成頻率選擇電路的某個器件的參數(shù)發(fā)生變化，則整個振蕩器的在線Q值會急劇地下降，導致振蕩器的頻率發(fā)生突變甚至停振。對于器件參數(shù)的漂移，只能通過對器件的嚴格篩選來控制，對于因溫度、電壓等外界原因而導致的器件參數(shù)短期變化，可以通過配置A.G.C（自動增益控制）電路來修正。值得一提的是，器件中配置有A.G.C電路的供應商少而又少。

3 石英晶體振蕩器電路的分析方法及典型失效案例

拿到一個失效的晶振器件，首先要對器件的基本電性能進行分析，以確定失效器件的失效模式，要特別關注各引腳間的IV特性，并將其與好器件對應的數(shù)據(jù)進行對比。分析器件的電路，必須要對器件進行物理開封。為避免開封后器件的性能發(fā)生變化，一定要在開封前將所有可能收集到的信息收集齊，如外觀圖片、輸出波形、穩(wěn)態(tài)工作電流、輸出頻率和引腳間的IV特性，并通過這些數(shù)據(jù)初步判定可能的失效原因。

開封后，首先要用S&A 250B判定諧振器是否有故障，需要注意的是，對于恒溫晶振中采用的諧振器，其外殼往往被焊到了PCB上，如果直接加熱將諧振器拆下，可能會損壞諧振器，這時可以將諧振器的管腳與PCB分開，將諧振器的管腳延長，再對其進行測試。對諧振器進行操作時，一定要保證可以將諧振器復原到原電路中，這樣可以保證如果諧振器沒有問題的話，可以繼續(xù)進行正常分析?，F(xiàn)在大多數(shù)的貼片式普通晶振都在側端設置了測試點，不用對振蕩器開封即可直接測試諧振器的性能，非常方便。

分析諧振器后，就要去尋找振蕩電路中的三極管，皮爾斯電路中的三極管的基極和集電極之間會接有一個電容，可以通過這個特性來尋找這個三極管。然后先使用示波器探測振蕩器在動態(tài)工作時的波形，并將諧振器斷開，測試振蕩器的靜態(tài)工作點，并將這些數(shù)據(jù)與正常器件的數(shù)據(jù)進行比較，以判定振蕩電路是否發(fā)生故障，進而判定是控制靜態(tài)工作點的電路發(fā)生故障，還是動態(tài)振蕩電路發(fā)生故障。

如果整形放大電路出現(xiàn)故障，故障現(xiàn)象一般為無輸出、輸出異常以及輸出波形幅度小等。當懷疑整形放大電路工作異常時，可先將諧振器斷開，然后測試整形放大電路中比較器的輸入端，如無異常，再測試振蕩器的輸出對地的IV特性或電阻值。如比較器的輸入電平異常，則為控制整形放大電路靜態(tài)工作點的電路發(fā)生故障；如振蕩器的輸出對地的IV特性或電阻值異常，則通常為振蕩器輸出端過電導致的比較器芯片損傷。

恒溫電路的故障判定比較容易，可以通過觸摸器件的表面溫度等方式來判定，如果加電幾分鐘后，恒溫晶振沒有明顯的溫升；或者加電后，恒溫晶振的電流沒有大幅度變化的過程，就可判定恒溫電路失效。對于此類失效，可先判定加熱管是否已損壞，繼而對熱敏電阻、運算放大器等器件進行分析。此類失效的案例較少，本文就不再累述。

以下通過幾個案例來敘述具體的分析過程。

3.1 靜態(tài)工作點異常的案例

電路參見圖4。此失效品，經(jīng)分析確認失效模式為無輸出，將器件開封后，測試諧振器工作正常，然后測試皮爾斯電路中三極管的3個極的波形，發(fā)現(xiàn)振蕩電路不起振，且失效品的靜態(tài)工作點與良品的對應數(shù)據(jù)有差別，可確認為確定靜態(tài)工作點的電路失效，繼而判定出圖中橢圓圈內的1 K電阻硫化，阻值變大，導致器件失效。

圖4 某19.44 M溫補晶振的電路結構圖

3.2 動態(tài)振蕩電路失效的案例

送檢失效樣品的失效模式是無輸出或輸出異常。

電路參見圖5。對失效樣品開封進行電路分析，發(fā)現(xiàn)皮爾斯電路的靜態(tài)工作點正常，比較器的輸入電平正常，初步懷疑為電路的動態(tài)振蕩電路異常，對影響電路的動態(tài)狀態(tài)的器件逐一檢查，發(fā)現(xiàn)橢圓圈內的電感斷路，在X-ray下可以清楚地看到電感線圈與焊盤的斷開點。經(jīng)測試，推測失效原因為：在焊接過程中，電感的線圈接頭從其焊盤上脫落。

3.3 壓控端失效的案例

此失效器件在應用電路上的失效現(xiàn)象是失鎖。影響鎖相的晶體振蕩器參數(shù)有：壓控端阻抗、壓控線性度和牽引范圍，所以本次分析主要從這三個方面著手。

電路參見圖6。經(jīng)測試，器件的失效現(xiàn)象為器件輸出頻偏，壓控端失效或牽引范圍很小，壓控端阻抗不為∞（由電路圖可知壓控端阻抗的理論值應為∞）。但失效樣品在開封后，電參數(shù)均恢復正?；蚪咏?。對樣品的諧振器引腳的焊盤區(qū)域進行掃描電鏡分析，在其焊盤外側發(fā)現(xiàn)了大量的Sn成分。由于PCB邊緣的這些Sn成分的存在，使得本來應該絕緣的A點，對地出現(xiàn)了一個電容和一個幾兆歐的電阻；由于這個電阻的存在，壓控電壓從直接加到壓控二極管，變成了6.8 M電阻和RGND電阻分壓后再加到變容二極管上；由于這個電容的存在，使得輸出頻率隨壓控電壓變化而變化的速度變得很緩慢。當器件加了外殼后

由于外殼的存在，縮短了A點對地的直線距離

使得這個幾十兆歐的電阻變成了幾個兆歐，大大降低了加到變容二極管上的電壓，使得器件的壓控范圍變得很狹窄，并且輸出頻率接近于當壓控電壓為0 V時的輸出。

3.4 整形放大電路失效的案例

送檢的失效樣品，一個為無輸出，一個為輸出波形異常，一個樣品的輸出波形的高電平偏低。

對樣品管腳間的IV特性進行分析發(fā)現(xiàn)良品的輸出端對地的電阻應為∞而3個失效品的輸出端對地電阻均不正常，分別為10.6 Ω，15.03 kΩ和63.5 Ω。將樣品開封后，測試皮爾斯電路的靜態(tài)工作點和動態(tài)工作狀態(tài)均正常。因振蕩器的輸出端對地的電阻偏小所以初步懷疑為整形放大電路中的比較器芯片出現(xiàn)故障，用好的比較器芯片更換失效品中的對應器件，此3個失效品均恢復正常。對失效的比較器芯片進行分析，在其芯片內部均發(fā)現(xiàn)過電的痕跡?？芍似骷氖г虻氖怯捎谡袷幤鬏敵龆诉^電導致比較器芯片受損而產(chǎn)生的器件失效。

圖7 失效品的輸出波形

圖8 受損的比較器芯片開封鏡檢照片

4 結束語

石英晶體振蕩器的失效模式有很多，由于振蕩器失效而導致的應用電路失效的表現(xiàn)形式更是五花八門，但只要對石英晶體振蕩器的結構和原理有了較深入的了解，相信就不難確定真正的失效機理。

[1]趙聲衡.石英晶體振蕩器[M].長沙：湖南大學出版社1997.

[2]VIG J R.Quartz crystal resonators and oscillators for frequency control and timing applications[J].A Tutorial 2005，SLCET-TR-88-1（Rev.8.5.3.0）.

[3]GJB 548-1996，微電子器件試驗方法和程序[S].