晶振的工作原理

晶振是石英晶體諧振器（quartz crystal oscillator）的簡(jiǎn)稱，也稱有源晶振，它能夠產(chǎn)生中央處理器（CPU）執(zhí)行指令所必須的時(shí)鐘頻率信號(hào)，CPU一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，通常CPU的運(yùn)行速度也就越快。

只要是包含CPU的電子產(chǎn)品，都至少包含一個(gè)時(shí)鐘源，就算外面看不到實(shí)際的振蕩電路，也是在芯片內(nèi)部被集成，它被稱為電路系統(tǒng)的心臟。

如下圖所示的有源晶振，在外部施加適當(dāng)?shù)碾妷汉螅涂梢暂敵鲱A(yù)先設(shè)置好的周期性時(shí)鐘信號(hào)。

這個(gè)周期性輸出信號(hào)的標(biāo)稱頻率（Normal Frequency），就是晶體元件規(guī)格書中所指定的頻率，也是工程師在電路設(shè)計(jì)和元件選購(gòu)時(shí)首要關(guān)注的參數(shù)。晶振常用標(biāo)稱頻率在1～200MHz之間，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等，更高的輸出頻率也常用PLL（鎖相環(huán)）將低頻進(jìn)行倍頻至1GHz以上。

輸出信號(hào)的頻率不可避免會(huì)有一定的偏差，我們用頻率誤差（Frequency Tolerance）或頻率穩(wěn)定度（Frequency Stability），用單位ppm來表示，即百萬分之一（parts per million）（1/106），是相對(duì)標(biāo)稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。

比如，12MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為12×20Hz=±240Hz，即頻率范圍是（11999760～12000240Hz）

另外，還有一個(gè)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。

我們經(jīng)常還看到其它的一些參數(shù)，比如負(fù)載電容、諧振電阻、靜電容等參數(shù)，是神馬情況？這些與晶體的物理特性有關(guān)。我們先了解一下晶體，如下圖所示

石英晶體有一種特性，如果在晶片某軸向上施加壓力時(shí)，相應(yīng)施力的方向會(huì)產(chǎn)生一定的電位

相反的，在晶體的某些軸向施加電場(chǎng)時(shí)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；

如果在石英晶片上加上交變電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械形變振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，盡管這種交變電場(chǎng)的電壓極其微弱，但其振動(dòng)頻率是十分穩(wěn)定的。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（與切割后的晶片尺寸有關(guān)，晶體愈薄，切割難度越大，諧振頻率越高）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”。

將石英晶片按一定的形狀進(jìn)行切割后，再用兩個(gè)電極板夾住就形成了無源晶振，其符號(hào)圖如下所示：

下圖是一個(gè)在諧振頻率附近有與晶體諧振器具有相同阻抗特性的簡(jiǎn)化電路。

其中：C1為動(dòng)態(tài)等效串聯(lián)電容；

L1為動(dòng)態(tài)等效串聯(lián)電感；

R1為動(dòng)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；

這個(gè)等效電路有如下圖所示的頻響特性曲線：

當(dāng)R1、L1、C1串聯(lián)支路發(fā)生諧振的頻率即串聯(lián)諧振頻率（Fr），此時(shí)容抗與感抗相互抵消，因此，支路相當(dāng)于只有等效串聯(lián)電阻R1。

這個(gè)頻率是晶體的自然諧振頻率，它在高穩(wěn)晶振的設(shè)計(jì)中，是作為使晶振穩(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)式如下所示：

等效串聯(lián)電阻R1決定晶體元件的品質(zhì)因數(shù)，品質(zhì)因數(shù)又稱機(jī)械Q值，它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù)，它與L1和C1有如下關(guān)系：

R1越大，Q值越低，會(huì)導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定，反之，Q值越高，頻率越穩(wěn)定，晶體的特點(diǎn)在于它具有很高的品質(zhì)因素。

等效電路還有一個(gè)反諧振頻率fL（并聯(lián)諧振頻率），此時(shí)串聯(lián)支路呈現(xiàn)為感抗，相當(dāng)于一個(gè)電感，如下圖所示：

此時(shí)的頻率如下圖所示：

通常廠家的晶振元件數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的標(biāo)稱頻率不是Fr或FL，實(shí)際的晶體元件應(yīng)用于振蕩電路中時(shí)，它一般還會(huì)與負(fù)載電容相聯(lián)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。

當(dāng)負(fù)載電容與晶體串聯(lián)時(shí)，如下圖所示：

串接的小電容CL可以使石英晶體的諧振頻率在一個(gè)小范圍內(nèi)調(diào)整，此時(shí)新的負(fù)載諧振頻率如下式所示：

其中，C1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C0+CL

當(dāng)負(fù)載電容與晶體并聯(lián)時(shí)，如下圖所示：

同樣，并聯(lián)的負(fù)載CL也可以小范圍調(diào)整諧振頻率，相應(yīng)的負(fù)載諧振頻率如下式：

從實(shí)際效果上看，對(duì)于給定的負(fù)載電容值，F(xiàn)’r與F’L兩個(gè)頻率是相同的，這個(gè)頻率是晶體的絕大多數(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(duì)產(chǎn)品符合標(biāo)稱頻率要求的測(cè)試指標(biāo)參數(shù)，也就是本文最開頭介紹的晶振標(biāo)稱頻率，

當(dāng)晶體元件與外部電容相連接時(shí)（并聯(lián)或串聯(lián)），在負(fù)載諧振頻率時(shí)的電阻即為負(fù)載諧振電阻RL，它總是大于晶體元件本身的諧振電阻。

晶體本身是不能產(chǎn)生振蕩信號(hào)的，必須借助于相應(yīng)的外部振蕩器電路才能實(shí)現(xiàn)，下圖是一個(gè)串聯(lián)型振蕩器電路，其中，晶體管Q1、Q2構(gòu)成的兩級(jí)放大器，石英晶體X1與電容CL構(gòu)成LC電路。在這個(gè)電路中，石英晶體相當(dāng)于一個(gè)電感，CL為可變電容器，調(diào)節(jié)其容量即可使電路進(jìn)入諧振狀態(tài)，輸出波形為方波。

并聯(lián)型振蕩器電路如下圖所示，這種形式讀者可能見得更多些，一般單片機(jī)都會(huì)有這樣的電路。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）

上圖中，U1為增益很大的反相放大器，CL1、CL2為匹配電容，是電容三點(diǎn)式電路的分壓電容，接地點(diǎn)就是分壓點(diǎn)。以接地點(diǎn)即分壓點(diǎn)為參考點(diǎn)，輸入和輸出是反相的，但從并聯(lián)諧振回路即石英晶體兩端來看，形成一個(gè)正反饋以保證電路持續(xù)振蕩，它們會(huì)稍微影響振蕩頻率，主要用與微調(diào)頻率和波形，并影響幅度。X1是晶體，相當(dāng)于三點(diǎn)式里面的電感

R1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)，R2與匹配電容組成網(wǎng)絡(luò)，提供180度相移，同時(shí)起到限制振蕩幅度，防止反向器輸出對(duì)晶振過驅(qū)動(dòng)將其損壞。

這里涉及到晶振的一個(gè)非常重要的參數(shù)，即負(fù)載電容CL（Load capacitance），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)載電容的公式如下所示：

其中，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(cè)

（這里假設(shè)CS=0.8pF，CI=CO=5pF，CPCB=4pF）。

比如規(guī)格書上的負(fù)載電容值為18pF，則有

則CD=CG=34.4pF，計(jì)算出來的匹配電容值CL1=CL2=25pF

這么復(fù)雜，我看不懂，我想用更簡(jiǎn)單更穩(wěn)定更精確的器件，有木有？有！

有源晶振將所有與無源晶振及相關(guān)的振蕩電路封裝在一個(gè)“盒子”里，不必手動(dòng)精確匹配外圍電路，不同的輸出頻率應(yīng)用時(shí)，只需要采購(gòu)一個(gè)相應(yīng)頻率的“盒子”即可，不再使用繁雜的公式計(jì)算來計(jì)算去，可以節(jié)省很多腦細(xì)胞做其它更多意義的工作。

封裝后的“盒子”示意圖如下所示：