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为什么我的晶体没有启动，这与 MCU 本身有何惊人的关联

作者： Dany Haikin 2019-04-17

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工程

定时与时钟管理

半导体与开发工具

我们都知道，MCU 或 MPU 上电后获得的第一个基本输入是时钟源。

有多种方法可将外部时钟源馈送给 MCU：RC 电路、陶瓷谐振器、晶体（也称为石英晶体）、晶体振荡器和硅/ MEMS 振荡器模块。

应用的最佳时钟源取决于许多因素，包括成本、精度、功耗和环境参数等。

我在这里想讨论陶瓷谐振器或晶体的用途（简单来说，陶瓷谐振器实际上是带有内置电容器的晶体，但其精度和温度稳定性不及石英晶体）。晶体有时也称为 XTAL。

由于价格低廉这一明显原因，晶体广泛用于对成本敏感的应用中。此外，晶体还有高精度和高频稳定性的优点，因此也用于很多不太计较成本的应用中。

许多 MCU 供应商都有自己的应用说明，用于指导设计人员如何正确地将晶体连接到 MCU，如何为电容器和电阻器选择正确的值，以及了解 PCB 布局问题等。

最终，在设计流程、测试和现场试验结束时，您对“良好的工程”设计感到满意。产品顺利进入生产阶段，生产商通常是世界某地的合同制造商 (CM) 。

然后过了一段时间，可能是 6 个月或几年，您接到合同制造商的电话，说产品在完成组装过程后没有通过合格/不合格测试。经过一些时间的调查，您发现原因是晶体没有启动，MCU 没有运行。

您百思不得其解，“这到底是怎么回事？”您已经忘了这款产品，不记得这款产品的具体设计，当时的设计人员也换人了，而且您现在完全专注于一款新产品，当然也抽不出时间，真是一团糟！

这种现象不是经常发生。过去十年我所知道的这种案例有十几起，但应该还有我不知道的。

实际上，原因不在晶体，而是 MCU 和称为“芯片微缩”的工艺。芯片微缩的基本定义是使用更先进的制造工艺来建立与半导体 IC 相同的电路，并缩小晶体管/栅极尺寸和互连距离。芯片微缩工艺支持在同一片硅晶圆上制造更多的处理器芯片，从而降低单个产品的成本。

芯片微缩对最终用户也有利，因为缩小芯片可以减少每个晶体管使用的电流，同时保持相同的芯片时钟频率。这可降低产品功耗，并提高时钟速率。此外，借助芯片微缩，供应商还能实现在微缩之前无法实施的更多 IC 功能。

芯片微缩是半导体公司提高性价比的关键，隔一段时间就会发生一次。这个周期可以是一年一次或几年一次。

Why My Crystal Does Not Start Up and How it is Related, Surprisingly, to the MCU Itself 图 1：晶体的等效电路

但在这种“芯片微缩”工艺中，安装芯片的封装本身并未发生变化。芯片焊盘与封装引脚之间的距离变得更长。当焊盘和引脚之间的印制线在电气意义上变得“更长”时，它会影响负载的阻抗和电阻 (ESR)，而减小芯片中电子速度加快会影响电感。

MCU 的封装越大，它受芯片微缩影响的可能性就越大。晶体的行为类似于 RLC 电路，这里不进行具体计算，但芯片微缩工艺后的这些 R、L、C 参数会影响电容器和/或电阻器的值，这些电容器和/或电阻器是在芯片微缩前的初始设计阶段进行选择和测试。

这种现象与设计过程中晶体没有启动的情况相似。然而，当您想检查发生了什么事，用示波器探头接触引脚时，晶体突然开始振荡。探头增加了晶体启动所缺少的少许电容。

如何解决呢？

实际上，当问题已经发生时，基本上就很难挽回了，但首要的是必须意识到该问题。此外，消防员常说，“灭火的最快方法是防止火灾发生。”因此，如果系统总成本可以再增加 20-40 美分，建议使用简单的晶体振荡器，而不要使用石英晶体本身。晶体振荡器是一种完全集成的解决方案。振荡器制造商会让石英谐振器与振荡器电路匹配，这样电路板设计人员就不用考虑匹配问题。另外，晶体振荡器还有许多其他优点，例如运行稳健、对 EMI 和振动的敏感性较低、保证启动等。

另一种解决办法是维护。当对元器件进行任何更改时，包括芯片微缩，绝大多数可靠的供应商会发出产品变更通知 (PCN)。有些甚至会在零件编号后面添加后缀，以区分芯片有变化的元器件。因此，应当检查 PCN，如果涉及芯片微缩，设计人员可以使用旧设计的电路板和芯片缩小的全新 MCU，在有空的时候提前再次测试运行是否正常。如果检测到问题，可以修改产品以防止批量生产的最后关头出现意外问题，特别是当生产是由合同制造商在其他国家或地方进行时。