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晶振工作原理及參數(shù)的理解
?晶振具有壓電效應(yīng)，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產(chǎn)生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當(dāng)?shù)慕蛔冸妷?，晶片就會產(chǎn)生諧振（諧振頻率與石英斜面傾角及厚薄等有關(guān)）。晶振利用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，在共振的狀態(tài)下工作可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率jd精度可達(dá)百萬分之五十。利用該特性，晶振可以提供較穩(wěn)定的脈沖，廣泛應(yīng)用于微芯片的時(shí)鐘電路里。晶片多為石英半導(dǎo)體材料，外殼用金屬封裝。
2023-03-03 15:23:31深圳恒譽(yù)信電子有限公司
一、晶振工作原理
晶振具有壓電效應(yīng)，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產(chǎn)生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當(dāng)?shù)慕蛔冸妷?，晶片就會產(chǎn)生諧振（諧振頻率與石英斜面傾角及厚薄等有關(guān)）。晶振利用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，在共振的狀態(tài)下工作可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率jd精度可達(dá)百萬分之五十。利用該特性，晶振可以提供較穩(wěn)定的脈沖，廣泛應(yīng)用于微芯片的時(shí)鐘電路里。晶片多為石英半導(dǎo)體材料，外殼用金屬封裝。
二、晶振的主要參數(shù)
1.標(biāo)稱頻率：指晶體規(guī)格書中所指定的頻率。晶振常用標(biāo)稱頻率在1～200MHz之間，若要獲得更高的輸出頻率則常用PLL（鎖相環(huán)）將低頻進(jìn)行倍頻來獲得。
2.頻率精度、頻率穩(wěn)定度：用單位ppm來表示，即百萬分之一（1/106），是相對標(biāo)稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。如24MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為24MHz×20ppm=±480Hz。
3.溫度頻差：指在特定溫度范圍內(nèi)，工作頻率相對于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的偏離，單位也是ppm。
4.負(fù)載電容CL：它是電路中跨接晶體兩端的總的有效電容（不是晶振外接的匹配電容），主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻，與晶體一起決定振蕩器電路的工作頻率，通過調(diào)整負(fù)載電容，就可以將振蕩器的工作頻率微調(diào)到標(biāo)稱值。負(fù)載電容是無源晶振非常重要的參數(shù)，因?yàn)闊o源晶體屬于被動元器件，無源晶振自身并不能工作，需要外部元器件協(xié)助工作。
CS為晶體兩個(gè)管腳間的寄生電容（Shunt Capacitance）
CD表示晶體振蕩電路輸出管腳到地的總電容，包括PCB走線電容CPCB、芯片管腳寄生電容CO、外加匹配電容CL2，即CD=CPCB+CO+CL2。
CG表示晶體振蕩電路輸入管腳到地的總電容，包括PCB走線電容CPCB、芯片管腳寄生電容CI、外加匹配電容CL1，即CG=CPCB+CI+CL1。
一般CS為1pF左右，CI與CO一般為幾個(gè)皮法，具體可參考芯片或晶振的數(shù)據(jù)手冊。
注意：負(fù)載電容不等于匹配電容。
其中：C為動態(tài)等效串聯(lián)電容；L為動態(tài)等效串聯(lián)電感；R為動態(tài)等效串聯(lián)電阻，它是晶體內(nèi)部摩擦性當(dāng)量；C0為靜態(tài)電容，相當(dāng)于兩個(gè)電極板之間的電容量；
1.當(dāng)R、L、C串聯(lián)支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，其該支路的容抗與感抗相互抵消（XC=XL），即該支路相當(dāng)于只有等效串聯(lián)電阻R。其串聯(lián)諧振等效電路如下：
①諧振頻率（fS）：它在高穩(wěn)晶振的設(shè)計(jì)中，是作為晶振穩(wěn)定工作于標(biāo)稱頻率、確定頻率調(diào)整范圍、設(shè)置頻率微調(diào)裝置等要求時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)（但不是標(biāo)稱頻率），其表達(dá)式如上：
②品質(zhì)因數(shù)：當(dāng)信號振幅不隨時(shí)間變化時(shí)，系統(tǒng)儲存能量和每個(gè)周期外界所提供能量的比例。它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù)，它與R、L、C關(guān)系如下：
R越大，Q值越低，會導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定，反之，Q值越高，頻率越穩(wěn)定，石英晶體的特點(diǎn)在于它具有很高的品質(zhì)因素（可達(dá)百萬數(shù)量級）。
2.等效電路并聯(lián)諧振（并聯(lián)諧振頻率fL）：此時(shí)串聯(lián)支路呈現(xiàn)為感抗，相當(dāng)于一個(gè)電感，其并聯(lián)諧振等效電路如下：
通常晶振元件數(shù)據(jù)手冊中給出的標(biāo)稱頻率不是Fr或FL，實(shí)際的晶體元件應(yīng)用于振蕩電路時(shí)，它一般還會與負(fù)載電容相連接，共同作用使晶體工作于Fr和FL之間的某個(gè)頻率，這個(gè)頻率由振蕩電路的相位和有效電抗確定，通過改變電路的電抗條件，就可以在有限的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)晶體頻率。
①負(fù)載電容與晶體串聯(lián)時(shí),C遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C0+CL。
②負(fù)載電容與晶體并聯(lián)時(shí)。
若給一定的負(fù)載電容值，F(xiàn)’r與F’L兩個(gè)頻率可以達(dá)到相同，這個(gè)頻率是晶振的絕大多數(shù)應(yīng)用時(shí)所表現(xiàn)的實(shí)際頻率，也是制造廠商為滿足用戶對產(chǎn)品符合標(biāo)稱頻率要求的測試指標(biāo)參數(shù)，也就是晶振的標(biāo)稱頻率。
四、晶振的分類
1.有源晶振
有源晶振一般有4只引腳,是一個(gè)完整的振蕩器，里面除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件。有源晶振不需要DSP的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單（主要是做好電源濾波，通常使用一個(gè)電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個(gè)小阻值的電阻過濾信號即可），不需要復(fù)雜的配置電路。相對于無源晶體，有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，靈活性較差，價(jià)格相對較高。對于時(shí)序要求敏感的應(yīng)用，還是有源的晶振好，因此可以選用比較精密的晶振，甚至是好的的溫度補(bǔ)償晶振。如下圖是一個(gè)串聯(lián)型振蕩器電路。
2.無源晶振
無源晶振一般是2個(gè)引腳的無極性元件，需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來 無源晶振需要用DSP片內(nèi)的振蕩器。無源晶振沒有電壓的問題，信號電平是可變的，也就是說是根據(jù)起振電路來決定的，同樣的晶振可以適用于多種電壓，可用于多種不同時(shí)鐘信號電壓要求的DSP，而且價(jià)格通常也較低，因此對于一般的應(yīng)用如果條件許可建議用晶體，這尤其適合于產(chǎn)品線豐富批量大的生產(chǎn)者。無源晶振相對于晶振而言其缺陷是信號質(zhì)量較差，通常需要精確匹配外圍電路（用于信號匹配的電容、電感、電阻等），更換不同頻率的晶體時(shí)周邊配置電路需要做相應(yīng)的調(diào)整。使用時(shí)建議采用精度較高的石英晶體，盡可能不要采用精度低的陶瓷晶體。
如下圖所示并聯(lián)型振蕩器電路，晶振的兩個(gè)引腳與芯片（如單片機(jī)）內(nèi)部的反相器相連接，再結(jié)合外部的匹配電容CL1、CL2、R1、R2，組成一個(gè)皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator）。
石英晶體與 C1, C2 兩電容構(gòu)成π型網(wǎng)絡(luò)形式的帶通濾波器，約在石英晶體的共振頻率上，提供 180 度相移與所需的電壓增益。在發(fā)生震蕩的頻率上，石英晶體呈現(xiàn)電感性，可視為是具有高 Q 值的電感。π型網(wǎng)絡(luò)的 180 度相移加上反相器的負(fù)增益，合起來成為正的環(huán)增益(正反饋），使 Rf 所設(shè)定的偏壓無法穩(wěn)定而導(dǎo)致震蕩。
R1的作用：①電阻會與 C1 造成些許額外的相移，抑制高頻混附(spurious)振蕩，以獲得干凈的輸出訊號。②降低石英晶體的驅(qū)動功率，以防止超過石英晶體的容許驅(qū)動功率而加速老化或造成破損，尤其是對低功率的石英晶體。
晶振具有壓電效應(yīng)，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產(chǎn)生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當(dāng)?shù)慕蛔冸妷?，晶片就會產(chǎn)生諧振（諧振頻率與石英斜面傾角及厚薄等有關(guān)）。晶振利用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，在共振的狀態(tài)下工作可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率jd精度可達(dá)百萬分之五十。利用該特性，晶振可以提供較穩(wěn)定的脈沖，廣泛應(yīng)用于微芯片的時(shí)鐘電路里。晶片多為石英半導(dǎo)體材料，外殼用金屬封裝。
二、晶振的主要參數(shù)
1.標(biāo)稱頻率：指晶體規(guī)格書中所指定的頻率。晶振常用標(biāo)稱頻率在1～200MHz之間，若要獲得更高的輸出頻率則常用PLL（鎖相環(huán)）將低頻進(jìn)行倍頻來獲得。
2.頻率精度、頻率穩(wěn)定度：用單位ppm來表示，即百萬分之一（1/106），是相對標(biāo)稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。如24MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為24MHz×20ppm=±480Hz。
3.溫度頻差：指在特定溫度范圍內(nèi)，工作頻率相對于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的偏離，單位也是ppm。
4.負(fù)載電容CL：它是電路中跨接晶體兩端的總的有效電容（不是晶振外接的匹配電容），主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻，與晶體一起決定振蕩器電路的工作頻率，通過調(diào)整負(fù)載電容，就可以將振蕩器的工作頻率微調(diào)到標(biāo)稱值。負(fù)載電容是無源晶振非常重要的參數(shù)，因?yàn)闊o源晶體屬于被動元器件，無源晶振自身并不能工作，需要外部元器件協(xié)助工作。
CS為晶體兩個(gè)管腳間的寄生電容（Shunt Capacitance）
CD表示晶體振蕩電路輸出管腳到地的總電容，包括PCB走線電容CPCB、芯片管腳寄生電容CO、外加匹配電容CL2，即CD=CPCB+CO+CL2。
CG表示晶體振蕩電路輸入管腳到地的總電容，包括PCB走線電容CPCB、芯片管腳寄生電容CI、外加匹配電容CL1，即CG=CPCB+CI+CL1。
一般CS為1pF左右，CI與CO一般為幾個(gè)皮法，具體可參考芯片或晶振的數(shù)據(jù)手冊。
注意：負(fù)載電容不等于匹配電容。
三、晶振的等效電路和阻抗頻率特性
其中：C為動態(tài)等效串聯(lián)電容；L為動態(tài)等效串聯(lián)電感；R為動態(tài)等效串聯(lián)電阻，它是晶體內(nèi)部摩擦性當(dāng)量；C0為靜態(tài)電容，相當(dāng)于兩個(gè)電極板之間的電容量；
1.當(dāng)R、L、C串聯(lián)支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，其該支路的容抗與感抗相互抵消（XC=XL），即該支路相當(dāng)于只有等效串聯(lián)電阻R。其串聯(lián)諧振等效電路如下：
①諧振頻率（fS）：它在高穩(wěn)晶振的設(shè)計(jì)中，是作為晶振穩(wěn)定工作于標(biāo)稱頻率、確定頻率調(diào)整范圍、設(shè)置頻率微調(diào)裝置等要求時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)（但不是標(biāo)稱頻率），其表達(dá)式如上：
②品質(zhì)因數(shù)：當(dāng)信號振幅不隨時(shí)間變化時(shí)，系統(tǒng)儲存能量和每個(gè)周期外界所提供能量的比例。它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù)，它與R、L、C關(guān)系如下：
R越大，Q值越低，會導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定，反之，Q值越高，頻率越穩(wěn)定，石英晶體的特點(diǎn)在于它具有很高的品質(zhì)因素（可達(dá)百萬數(shù)量級）。
2.等效電路并聯(lián)諧振（并聯(lián)諧振頻率fL）：此時(shí)串聯(lián)支路呈現(xiàn)為感抗，相當(dāng)于一個(gè)電感，其并聯(lián)諧振等效電路如下：
通常晶振元件數(shù)據(jù)手冊中給出的標(biāo)稱頻率不是Fr或FL，實(shí)際的晶體元件應(yīng)用于振蕩電路時(shí)，它一般還會與負(fù)載電容相連接，共同作用使晶體工作于Fr和FL之間的某個(gè)頻率，這個(gè)頻率由振蕩電路的相位和有效電抗確定，通過改變電路的電抗條件，就可以在有限的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)晶體頻率。
①負(fù)載電容與晶體串聯(lián)時(shí),C遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C0+CL。
②負(fù)載電容與晶體并聯(lián)時(shí)。
若給一定的負(fù)載電容值，F(xiàn)’r與F’L兩個(gè)頻率可以達(dá)到相同，這個(gè)頻率是晶振的絕大多數(shù)應(yīng)用時(shí)所表現(xiàn)的實(shí)際頻率，也是制造廠商為滿足用戶對產(chǎn)品符合標(biāo)稱頻率要求的測試指標(biāo)參數(shù)，也就是晶振的標(biāo)稱頻率。
四、晶振的分類
1.有源晶振
有源晶振一般有4只引腳,是一個(gè)完整的振蕩器，里面除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件。有源晶振不需要DSP的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單（主要是做好電源濾波，通常使用一個(gè)電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個(gè)小阻值的電阻過濾信號即可），不需要復(fù)雜的配置電路。相對于無源晶體，有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，靈活性較差，價(jià)格相對較高。對于時(shí)序要求敏感的應(yīng)用，還是有源的晶振好，因此可以選用比較精密的晶振，甚至是好的的溫度補(bǔ)償晶振。如下圖是一個(gè)串聯(lián)型振蕩器電路。
2.無源晶振
無源晶振一般是2個(gè)引腳的無極性元件，需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來 無源晶振需要用DSP片內(nèi)的振蕩器。無源晶振沒有電壓的問題，信號電平是可變的，也就是說是根據(jù)起振電路來決定的，同樣的晶振可以適用于多種電壓，可用于多種不同時(shí)鐘信號電壓要求的DSP，而且價(jià)格通常也較低，因此對于一般的應(yīng)用如果條件許可建議用晶體，這尤其適合于產(chǎn)品線豐富批量大的生產(chǎn)者。無源晶振相對于晶振而言其缺陷是信號質(zhì)量較差，通常需要精確匹配外圍電路（用于信號匹配的電容、電感、電阻等），更換不同頻率的晶體時(shí)周邊配置電路需要做相應(yīng)的調(diào)整。使用時(shí)建議采用精度較高的石英晶體，盡可能不要采用精度低的陶瓷晶體。
如下圖所示并聯(lián)型振蕩器電路，晶振的兩個(gè)引腳與芯片（如單片機(jī)）內(nèi)部的反相器相連接，再結(jié)合外部的匹配電容CL1、CL2、R1、R2，組成一個(gè)皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator）。
石英晶體與 C1, C2 兩電容構(gòu)成π型網(wǎng)絡(luò)形式的帶通濾波器，約在石英晶體的共振頻率上，提供 180 度相移與所需的電壓增益。在發(fā)生震蕩的頻率上，石英晶體呈現(xiàn)電感性，可視為是具有高 Q 值的電感。π型網(wǎng)絡(luò)的 180 度相移加上反相器的負(fù)增益，合起來成為正的環(huán)增益(正反饋），使 Rf 所設(shè)定的偏壓無法穩(wěn)定而導(dǎo)致震蕩。
R1的作用：①電阻會與 C1 造成些許額外的相移，抑制高頻混附(spurious)振蕩，以獲得干凈的輸出訊號。②降低石英晶體的驅(qū)動功率，以防止超過石英晶體的容許驅(qū)動功率而加速老化或造成破損，尤其是對低功率的石英晶體。
Rf的作用：Rf是反饋電阻（一般≥1MΩ），它使反相器在振蕩初始時(shí)處于線性工作區(qū)。有時(shí)不加Rf晶振也能正常起震，但加Rf會使電路更加穩(wěn)
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