淺談?dòng)布娐吩O(shè)計(jì)中晶體、晶振、負(fù)載電容

在硬件電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)涉及到時(shí)鐘信號(hào)，具體包含晶體、晶振、有源晶振與無(wú)源晶振等。

一、晶體

晶體：英文 Crystal，電路上一般會(huì)簡(jiǎn)寫為 XTAL，需要外加時(shí)鐘電路才能輸出時(shí)鐘信號(hào)，所以一般叫無(wú)源晶振，也叫諧振器。

晶體（crystal）是有明確衍射圖案的固體，其原子或分子在空間按一定規(guī)律周期重復(fù)地排列。晶體中原子或分子的排列具有三維空間的周期性，隔一定的距離重復(fù)出現(xiàn)，這種周期性規(guī)律是晶體結(jié)構(gòu)中最基本的特征。

普通的單片機(jī)需外接晶體和兩個(gè)電容，以STM32單片機(jī)為例，其OSC_IN和OSC_OUT是外部時(shí)鐘源HSE的輸入引腳，STM32的HSE時(shí)鐘可以使用晶體或者晶振提供時(shí)鐘源。

1.晶體一般是 2 腳或者 4 腳，2 腳最常見，晶體無(wú)極性，直插到PCB板子上，沒有接地，精度低，

2.不供電，又稱晶體諧振器，需要RC諧振電路才可以起振

二、晶振

晶振，英文 Crystal oscillator，電路上一般簡(jiǎn)寫為 XO，內(nèi)部有時(shí)鐘電路，供電即可產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，所以一般叫有源晶振，也叫振蕩器。

晶振一般是 4 腳，1 個(gè) VCC，2 個(gè) GND，1 個(gè) Output。

1.一般4個(gè)管腳（電源端、地、輸出、還有一個(gè)壓控或者懸空端子）貼片式

2.又稱石英晶體振蕩器

3.內(nèi)部有時(shí)鐘電路，供電即可產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)

我們?cè)倏匆幌戮д竦姆N類：

Package 石英振蕩器，英文 SPXO：不施以溫度控制及溫度補(bǔ)償?shù)氖⒄袷幤?。頻率溫度特性依靠石英振蕩晶體本身的穩(wěn)定性。

溫度補(bǔ)償石英振蕩器，英文 TCXO：附加溫度補(bǔ)償回路，減少其頻率因周圍溫度變動(dòng)而變化之石英振蕩器。

電壓控制石英振蕩器，英文 VCXO：控制外來(lái)的電壓，使輸出頻率能夠變化或調(diào)變的石英振蕩器。

恒溫槽式石英振蕩器，英文 OCXO：以恒溫槽保持石英振蕩器或石英振蕩晶體在一定溫度，控制其輸出頻率在周圍溫度下也能保持極小變化量之石英振蕩器。

可以看到，不管是 VCXO 還是 TCXO，內(nèi)部都帶有電路進(jìn)行補(bǔ)償，所以價(jià)格上會(huì)比晶體貴，質(zhì)量和準(zhǔn)確度也會(huì)比晶體高不少，比如 GPS 上一般會(huì)選用 TCXO。

下面看一下晶振最重要的幾個(gè)參數(shù)：

標(biāo)稱頻率（Normal Frequency）：晶振的標(biāo)準(zhǔn)頻率，如 26MHz、32.768KHz 等。

頻率誤差（Frequency Tolerance）或頻率穩(wěn)定度（Frequency Stability）：用單位 ppm 來(lái)表示，即百萬(wàn)分之一，是相對(duì)標(biāo)稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高，1MHz 的晶振，1 個(gè) PPM 就是 1Hz 的偏差。

溫度頻差（Frequency Stability vs Temp）：表示在特定溫度范圍內(nèi)，工作頻率相對(duì)于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的允許偏離，它的單位也是 ppm。

負(fù)載電容 CL：負(fù)載電容是指晶振正常工作震蕩所需要的電容。為使晶體能夠正常工作，需要在晶體兩端外接電容，來(lái)匹配達(dá)到晶體的負(fù)載電容。

那負(fù)載電容如何確定呢？

計(jì)算公式：CL=C1*C2/（C1+C2）+Cic+△C

C1 和 C2 為晶振兩腳對(duì)地電容，稱為匹配電容。

Cic 為集成電路內(nèi)部電容，△C 為 PCB 板上電容，一般大小為 3~5pF。

匹配電容一般取 C1=C2=2CL，這樣并聯(lián)起來(lái)就接近負(fù)載電容 CL 了，在一般情況下，增大負(fù)載電容會(huì)使振蕩頻率下降，而減小負(fù)載電容會(huì)使振蕩頻率升高。

如果 crystal 所接的 IC 內(nèi)部有負(fù)載電容，那外部的 C1 和 C2 就不需要了。

一般 IC 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)給出負(fù)載電容的大小。
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