晶振(晶體振蕩器)的基礎(chǔ)知識(shí)

晶振一般指晶體振蕩器。晶體振蕩器是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片），石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。在其封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

晶振的工作原理

石英晶體振蕩器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(duì)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)成了石英晶體諧振器。若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)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)。

當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)皮法到幾十皮法。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十豪亨到幾百豪亨。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)值約為100歐。

晶振是怎么產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的？

晶體諧振器，是由石英晶體片或陶瓷晶體片經(jīng)過加工并鍍上電極而做成的。石英晶體或陶瓷晶體片有一個(gè)特殊的特性——壓電效應(yīng)，就是當(dāng)我們?cè)诰w上施加電壓時(shí)，晶體中的晶格在電場(chǎng)力的作用下內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生變形，晶體在電場(chǎng)的作用下，其內(nèi)應(yīng)力和形變都會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)電場(chǎng)消失后，晶體的變形也會(huì)隨之消失。當(dāng)我們給晶振通入一個(gè)穩(wěn)定的交變信號(hào)，晶振就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的機(jī)械振動(dòng)，下圖所示為晶振的符號(hào)和等效電路。

晶振兩端施加的交變信號(hào)頻率等于晶振諧振頻率時(shí)，晶振的電抗為0呈現(xiàn)電阻特性。諧振頻率也是晶振等效電路中C1,L1,R1串聯(lián)支路的諧振頻率，故也稱串聯(lián)諧振頻率。

晶振的反諧振頻率指的是整個(gè)等效電路的諧振頻率也稱并聯(lián)諧振頻率。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率接近并聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶振的電抗趨于無窮大。

從Fa到 Fs之間的區(qū)域就是通常所謂的“并聯(lián)諧振區(qū)”也是晶振正常工作的區(qū)域了。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。

那么在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，誰(shuí)來提供穩(wěn)定的交變信號(hào)呢？就是單片機(jī)（芯片）了。具體的參考電路如下圖所示。通常皮爾斯振蕩電路的晶振振蕩電路，其實(shí)就是由單片機(jī)內(nèi)部的反相器和反饋電阻，與外部的兩個(gè)電容組成。有了芯片提供突變信號(hào)晶振就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的振蕩信號(hào)了。

晶振的分類

一般晶振分為兩種：有源晶振、無源晶振。有源晶振也叫晶體振蕩器，Oscillator。無源晶振有時(shí)也叫無源晶體，Crystal，晶體諧振器。簡(jiǎn)單來說，有源晶振自己供上電就能輸出振蕩信號(hào)；無源晶體必須額外增加電路才能振蕩起來。

晶振如何選型？

一般情況下，我們需要根據(jù)自己的應(yīng)用，選擇晶振的類型，比如是有源的還是無源的。如果是無源的話，需要關(guān)注下面這些參數(shù)：

1）標(biāo)稱頻率：在晶振的外殼上可以找頻率，不同晶振對(duì)應(yīng)不同的頻率，選擇多大頻率的晶振，取決于系統(tǒng)的要求。

2）精度：指的是晶振的頻率相對(duì)于標(biāo)稱值的最大允許偏差，一般用ppm來表示，即百萬分之一，值越小精度越高。

3）ESR 等效串聯(lián)電阻：晶振的內(nèi)阻，和晶振的功耗有關(guān)系，如果ESR太高，功耗會(huì)增加，甚至無法起振。如果ESR越小，成本也會(huì)有所增加，因此可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。