晶振原理和電容選取的計(jì)算

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無源晶振和有源晶振

晶振大類分兩種，有源晶振和無源晶振。

無源晶振工作原理簡單的說石英有壓電效應(yīng)，電壓形成了，自然就會產(chǎn)生晶體片形變，再結(jié)合外部電路，通過IC整合再交給下級電路輸出。其設(shè)計(jì)缺陷需要精確匹配外圍電路（用于信號匹配的電容、電感、電阻等）才能運(yùn)行，所以信號質(zhì)量較差。

有源晶振有4只引腳，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，不需要復(fù)雜的配置電路。因?yàn)橥鈬娐饭潭?，相對于無源晶體,有源晶振的缺陷是需要選擇好合適輸出電平,靈活性較差,而且價(jià)格高。

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，有源晶振內(nèi)部構(gòu)造包含了無源晶振，并且把外圍電路封裝進(jìn)去，所以如果能理解無源晶振，也就能理解有源晶振，本篇主要講解無源晶振。

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晶振的原理

2.1 石英晶體的結(jié)構(gòu)

晶振是利用石英晶體(Quartz-Crystal)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。石英本質(zhì)是礦物質(zhì)硅石的一種，化學(xué)成分是Sio2，從一塊晶體上按一定的方位角切割成的薄片稱為晶片。

形狀是呈角錐形的六棱結(jié)晶體,具有各向異性的物理特性。按其自然形狀有三個(gè)對稱軸,電軸X,機(jī)械軸Y,光軸Z。

石英晶體及橫斷面

石英諧振器中的各種晶片，就是按照各軸不同角度,切割成正方形、 長方形、 圓形、 或棒型的薄片,如圖

2.2 石英晶體的特性

(1) 石英晶體特有的正、 反兩種壓電效應(yīng)

正壓電效應(yīng)：當(dāng)沿晶體的電軸或機(jī)械軸施以張力或壓力時(shí)， 就在垂直于電軸的兩面上產(chǎn)生正、 負(fù)電荷， 呈現(xiàn)出電壓。

負(fù)壓電效應(yīng)：當(dāng)在垂直于電軸的兩面上加交變電壓時(shí)， 晶體將會沿電軸或機(jī)械軸產(chǎn)生彈性變形( 伸張或壓縮) ， 稱為機(jī)械振動。

(2) 石英晶體具有諧振回路的特性

石英晶體存在著固有振動頻率。

當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)， 它本身有一固定的機(jī)械振動頻率。當(dāng)外加電信號頻率在此自然頻率附近時(shí)， 就會發(fā)生諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機(jī)械共振， 又在電路上表現(xiàn)出電諧振。這時(shí)有很大的電流流過晶體， 產(chǎn)生電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

(3) 具有較小的頻率溫度特性

石英晶體溫度系數(shù)小和低噪聲，石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10 -5數(shù)量級以上， 具有很高的品質(zhì)因數(shù)， 產(chǎn)生幾十kHz幾百M(fèi)Hz的振蕩頻率。

2.3 晶振的工作原理

晶振是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個(gè)對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了晶振。

根據(jù)正反壓電效應(yīng)，如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時(shí)晶片的機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場。是一種可將電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的壓電器件，能量轉(zhuǎn)變發(fā)生在共振頻率點(diǎn)上。

在一般情況下，晶片機(jī)械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

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晶振的特性和模型

3.1 晶振的等效電路

當(dāng)晶體不振動時(shí)， 可以看成是一個(gè)平板電容器Co， 稱為靜電電容。Co與晶片的幾何尺寸和電極面積有關(guān)。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動的慣性可用電感L來等效。

Co—靜態(tài)電容和支架引線等分布電容之和， 一般約2～5PF。

Cm —?jiǎng)討B(tài)電容， 表征晶體的彈性， 值很小， 在10﹣2 pF以下。

Lm —?jiǎng)討B(tài)電感， 表征晶體的質(zhì)量， 值較大， 在幾十mH ～幾百H。

rm —?jiǎng)討B(tài)電阻，機(jī)械摩擦和空氣阻尼引起的損耗， 阻抗很小，幾～幾百歐?。

3.2 晶振的阻抗

可表示為以下方程(假設(shè)Rm可以忽略不計(jì))：

3.3 石英晶振的頻域電抗特性

其中Fs的是當(dāng)電抗Z=0時(shí)的串聯(lián)諧頻率(它是Lm、Cm和Rm支路的諧振頻率)，其表達(dá)式如下：

Fa是當(dāng)電抗Z趨于無窮大時(shí)的并聯(lián)諧振頻率(譯注：它是整個(gè)等效電路的諧振頻率)，使用等式：

在Fs到Fa的區(qū)域即通常所謂的聯(lián)諧振狀態(tài)(該區(qū)域就是晶振的正常工作區(qū)域，F(xiàn)a－Fs就是晶振的帶寬。)

帶寬越窄，品質(zhì)因素越高，振蕩頻率越穩(wěn)定, 在此區(qū)域晶振呈電感特性，從而帶來了相當(dāng)于180 °的相移。

頻率FP(或者叫FL:負(fù)載頻率)表達(dá)式如下：

從表達(dá)式我們知道可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載電容CL來微調(diào)振蕩器的頻率，這就是為什么

制造商在其產(chǎn)品說明書中會指定外部負(fù)載電容CL值的原因。通過指定外部負(fù)載電容CL值，可以使晶體振蕩時(shí)達(dá)到其標(biāo)稱頻率。

舉一個(gè)例子來說明如何調(diào)整外部參數(shù)來達(dá)到晶振電路的8MHz標(biāo)稱頻率：

等效電路參數(shù)實(shí)例

我們可以計(jì)算出該晶振的Fs = 7988768Hz，F(xiàn)a = 8008102Hz，

如果該晶振的CL為10pF，則其振蕩頻率為：FP = 7995695Hz。要使其達(dá)到準(zhǔn)確的標(biāo)稱振蕩頻率8MHz，CL應(yīng)該為4.02pF。

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晶振的參數(shù)

1、頻率

晶振頻率是工作頻率的簡稱，晶振元件在電路中正常工作時(shí)候的理想頻率就是工作頻率，這個(gè)參數(shù)在晶振設(shè)計(jì)好的時(shí)候就固定好了，我們在采購的時(shí)候應(yīng)該順應(yīng)需求選擇合理選擇。

2、頻差

基溫下工作頻率與名義頻率的最大允許偏差。

3、溫差

允許工作頻率在整個(gè)溫度范圍內(nèi)相對于基準(zhǔn)溫度的偏差，通常以ppm為代表。

4、老化率

由時(shí)間引起的頻率偏移，這個(gè)指標(biāo)對于精密儀器是必要的。它沒有明確的測試條件，而是由制造商通過對所有產(chǎn)品的計(jì)劃采樣持續(xù)監(jiān)督。某些晶體元素可能比規(guī)定的老化率有些偏差，這是允許的，老化問題的最佳解決方案只能靠制造商和用戶之間的密切協(xié)商。

5、負(fù)載電容

用晶體元件測定負(fù)載共振頻率FL的有效外電容，晶體元件規(guī)范中的cl是一個(gè)測試條件和一個(gè)使用條件，可根據(jù)用戶的具體用途調(diào)整，以微調(diào)實(shí)際工作頻率(即制造公差可調(diào)整)。然而它具有一個(gè)合適的值，否則它會使振蕩電路老化。其值通常是10PF、15PF、20PF、30PF、50PF等，其中Cl用于串聯(lián)諧振電路，其操作頻率為晶體的諧振頻率。對于某些晶體(包括非封裝振蕩器的應(yīng)用)，0.5pf的實(shí)際電容的誤差可能導(dǎo)致給定負(fù)載電容器(特別是小負(fù)載電容器)下的頻率誤差為+-6，因此負(fù)載電容是訂單規(guī)范的一個(gè)重要指標(biāo)。

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如何選擇晶振的負(fù)載電容

晶振的匹配電容是怎么定義的?

前文我們有計(jì)算過晶振的負(fù)載電容，一般規(guī)格書中有推薦的負(fù)載電容值，它是指晶振要正常振蕩時(shí)所需的電容。

很多工程師誤解以為這個(gè)晶振的CL參數(shù)就是等同于晶振振蕩電路里的C1 C2兩個(gè)外掛電容的串聯(lián)等效電容C1*C2/(C1+C2)。其實(shí)負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC 塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和.

**晶振的負(fù)載電容=[(C1*C2)/(C1+C2)]+Cic+△C **

式中C1,C2為分別接在晶振的兩個(gè)腳上和對地的電容,Cic集成電路內(nèi)部電容+△C PCB上電容，經(jīng)驗(yàn)值為3至5pf。

假設(shè)一個(gè)10PF的負(fù)載電容的晶振電路，外掛旁路電容的大小應(yīng)該可以這樣推算：1）假設(shè)雜散電容為5pF，C1/C2=（10-5）*2 =10PF；

2）假設(shè)按照3PF來推算，C1/C2=（10-3）*2=14PF，可以就近選擇15PF接入電路。如果不做精確的回路調(diào)查工作，可以依照此數(shù)字做大概的推算并調(diào)試。

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晶振使用注意事項(xiàng)

1、位置要選對：晶振內(nèi)部是石英晶體，如果不慎掉落或受不明撞擊，石英晶體易斷裂破損，所以晶振的放置遠(yuǎn)離板邊，靠近MCU的位置布局。

2、兩靠近：耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源管腳，如果多個(gè)耦合電容，按照電源流入方向，依次容值從大到小擺放;晶振則要盡量的靠近MCU。

3、走線短：在電路系統(tǒng)中，高速時(shí)鐘信號線優(yōu)先級最高，一般在布線時(shí)，需要優(yōu)先考慮系統(tǒng)的主時(shí)鐘信號線。時(shí)鐘線是敏感信號，頻率越高，要求走線盡量的短，保證信號的失真度最小。

4、高獨(dú)立：盡可能保證晶振周圍的沒有其他元件。防止器件之間的互相干擾，影響時(shí)鐘和其他信號的質(zhì)量。網(wǎng)傳是300mil內(nèi)不要布線，實(shí)際在設(shè)計(jì)中并沒有如此嚴(yán)格。

5、外殼要接地：晶振的外殼必須要接地，除了防止晶振向外輻射，也可以屏蔽外來的干擾。

6、謹(jǐn)慎選擇C1、C2的容值。盡量按照晶振廠家提供的推薦值設(shè)計(jì)。在滿足起震要求的前提下，C1、C2的取值可以盡量小，能縮短石英晶振起震時(shí)間。