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摘 要：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。
关键词：晶体振荡器；振荡电路；输出电路；失效分析
1 晶体谐振器的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本结构大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷金属层作为电极，在每个电极上用导电胶各粘一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器，简称为石英晶体或晶体、石英晶体谐振器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以取代LC谐振回路、滤波器等。由于石英晶振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。
2 晶體振荡器的组成和分类
2.1 晶体振荡器的组成
晶体振荡器一般由振荡电路和输出电路组成。
2.1.1 振荡电路
晶体振荡电路分为并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路两种。常用的为并联晶体振荡电路。晶体工作在串联谐振频率ωs 和并联谐振频率ωp 之间， 即呈现感抗。而振荡性能的优劣由晶体的品质、切割取向、振子结构及振荡电路共同决定。图（ 一） 画出了AT 切割和SC 切割的频率—温度特性曲线。可以看出， SC 切割有高的静态和动态f- t 稳定性、良好的老化率和相位噪声， 但缺点是频率牵引灵敏度低， 成本昂贵。常用的振荡电路图如图（ 二） 所示。其具有稳定的一种电容反馈三点式振荡器电路， 特点是电感支路有个电容。此电容减弱了三极管与回路间的耦合， 即减小了三极管对回路的影响， 进一步提高了振荡电路的频率稳定性。图（ 三） 是其等效电路。电路的环路增益等于三极管跨导，谐振电路等效并联电阻、反馈系数之积。反馈系数F 算式如下：
F值偏大时， 环路增益大、易起振。但过大时振荡稳定性差。F值偏小时， 振荡稳定性好。但是， 波形虚， 起振困难。
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，需要注上谐波控制比，方波或矩形波输出电平应注明TTL、CMOS 或者其它， 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
晶体振荡器分为：
（1）普通晶振（PXO）（2）压控晶振（VCXO）（3）温补晶振（TCXO）（4）恒温晶振（OCXO）
（5）组合晶振（VCTCXO、VCOCXO）
3 晶体振荡器电路分析方法
当晶体振荡器元器件无法使用后，首先要先将元器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器件进行数据比对，初步判断元器件失效的可能性。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，可以通过测量元器件表面温度来判断，若出现加电后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）将元器件开封，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，发现被测元器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器件发生故障。
案例处理结果：1kΩ 电阻失效，更换电阻后晶振正常工作。
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）对被测元器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器件逐一检查，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A 无输出信号，晶振B 输出波形异常，晶振C 输出波形的高电平偏低。
4.3.1 案例处理过程：
（1）对被测元器件开封电路分析，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器件，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现形式各不相同，甚至有时几种故障同时发生，但只要对晶振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。
参考文献
[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.
关键词：晶体振荡器；振荡电路；输出电路；失效分析
1 晶体谐振器的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本结构大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷金属层作为电极，在每个电极上用导电胶各粘一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器，简称为石英晶体或晶体、石英晶体谐振器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以取代LC谐振回路、滤波器等。由于石英晶振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。
2 晶體振荡器的组成和分类
2.1 晶体振荡器的组成
晶体振荡器一般由振荡电路和输出电路组成。
2.1.1 振荡电路
晶体振荡电路分为并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路两种。常用的为并联晶体振荡电路。晶体工作在串联谐振频率ωs 和并联谐振频率ωp 之间， 即呈现感抗。而振荡性能的优劣由晶体的品质、切割取向、振子结构及振荡电路共同决定。图（ 一） 画出了AT 切割和SC 切割的频率—温度特性曲线。可以看出， SC 切割有高的静态和动态f- t 稳定性、良好的老化率和相位噪声， 但缺点是频率牵引灵敏度低， 成本昂贵。常用的振荡电路图如图（ 二） 所示。其具有稳定的一种电容反馈三点式振荡器电路， 特点是电感支路有个电容。此电容减弱了三极管与回路间的耦合， 即减小了三极管对回路的影响， 进一步提高了振荡电路的频率稳定性。图（ 三） 是其等效电路。电路的环路增益等于三极管跨导，谐振电路等效并联电阻、反馈系数之积。反馈系数F 算式如下：
F值偏大时， 环路增益大、易起振。但过大时振荡稳定性差。F值偏小时， 振荡稳定性好。但是， 波形虚， 起振困难。
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，需要注上谐波控制比，方波或矩形波输出电平应注明TTL、CMOS 或者其它， 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
晶体振荡器分为：
（1）普通晶振（PXO）（2）压控晶振（VCXO）（3）温补晶振（TCXO）（4）恒温晶振（OCXO）
（5）组合晶振（VCTCXO、VCOCXO）
3 晶体振荡器电路分析方法
当晶体振荡器元器件无法使用后，首先要先将元器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器件进行数据比对，初步判断元器件失效的可能性。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，可以通过测量元器件表面温度来判断，若出现加电后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）将元器件开封，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，发现被测元器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器件发生故障。
案例处理结果：1kΩ 电阻失效，更换电阻后晶振正常工作。
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）对被测元器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器件逐一检查，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A 无输出信号，晶振B 输出波形异常，晶振C 输出波形的高电平偏低。
4.3.1 案例处理过程：
（1）对被测元器件开封电路分析，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器件，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现形式各不相同，甚至有时几种故障同时发生，但只要对晶振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。
参考文献
[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.