晶振詳解之工作原理

晶體or晶振，還是傻傻分不清楚？
晶體是晶體諧振器（Crystal）的簡(jiǎn)稱，也稱為無源晶體。一般是利用石英晶體的壓電效應(yīng)，用來產(chǎn)生高精度振蕩頻率的一種電子元件。無源晶體需要依靠電容電阻才能進(jìn)行起振。

2023-03-08 14:24:37深圳恒譽(yù)信電子有限公司

晶體or晶振，還是傻傻分不清楚？
晶體是晶體諧振器（Crystal）的簡(jiǎn)稱，也稱為無源晶體。一般是利用石英晶體的壓電效應(yīng)，用來產(chǎn)生高精度振蕩頻率的一種電子元件。無源晶體需要依靠電容電阻才能進(jìn)行起振。

晶振是晶體振蕩器（Oscillator）的簡(jiǎn)稱，也稱為有源晶振。有源晶振內(nèi)部集成了起振電路，無需外部添加其他元器件即可正常工作，但其需要外部電源供電。

在封裝上晶體通常為兩腳和四腳，晶振通常為四腳或四腳以上?？梢钥隙ǖ氖?，兩腳的一定是晶體。對(duì)于四腳的晶體和晶振，需要觀察其外圍電路是否有其他器件連接，如若無則為有源晶振?；蛘卟榭锤叨龋话憔д竦暮穸缺染w要高。

常見晶體晶振實(shí)物如下圖所示：

晶振的工作原理

晶振的等效電路：

R是ESR串聯(lián)等效阻抗，L和C分別是等效電感和電容，Cp為寄生電容。

晶振的電抗頻譜線：

當(dāng)晶振在串聯(lián)諧振狀態(tài)下工作時(shí)，線路表現(xiàn)為純阻性，感抗等于容抗（XL=XC），串聯(lián)諧振頻率為：

當(dāng)晶振在并聯(lián)諧振狀態(tài)下工作時(shí)，線路表現(xiàn)為純感性。在這種模式下，工作頻率由晶振的負(fù)載決定。對(duì)于并聯(lián)諧振狀態(tài)的晶振，晶振制造商應(yīng)該指定負(fù)載電容CL。在這種模式下，諧振頻率：

在并聯(lián)諧振模式下，電抗線中fs到fa的斜線區(qū)域內(nèi)，通過調(diào)整晶振的負(fù)載，晶振都可以振蕩起來。

晶振電路
晶振振蕩電路圖如下圖所示。這樣的組成可以使晶振處于并聯(lián)諧振模式。反相器提供了180°的相移，晶振、R1、C1、C2組成的π型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生另外180°的相移。所以整個(gè)環(huán)路的相移為360°。這滿足了保持振蕩的一個(gè)條件。另外一個(gè)條件是要求閉環(huán)增益應(yīng)≥1，才能正確起振和保持振蕩。

電阻Rf產(chǎn)生負(fù)反饋，它將反相器設(shè)定在中間補(bǔ)償區(qū)附近，使反相器工作在高增益線性區(qū)域。電阻值很高，范圍通常在500KΩ ~2MΩ內(nèi)。圖示的C1，C2就是為晶振工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)下得到負(fù)載電容CL的電容。關(guān)于較優(yōu)的負(fù)載電容CL的計(jì)算公式為：

其中Cs為PCB中晶振引腳寄生電容，典型值為2-5pF。通常C1,C2值取值相等。R1是驅(qū)動(dòng)限流電阻，主要功能是限制反相器輸出，這樣晶振不會(huì)被過驅(qū)動(dòng)（over driven）。R1、C1組構(gòu)成分壓電路，這些元器件的數(shù)值是以這樣的方式進(jìn)行計(jì)算的：反相器的輸出接近rail-to-rail值，輸入到晶振的信號(hào)是rail-to-rail的60%，通常實(shí)際是令R1的電阻值和的C1容抗值相等，即R1 ≈ XC1。這使晶振只取得反相器輸出信號(hào)的一半。要一直保證晶振消耗的功率在廠商說明書規(guī)定范圍內(nèi)，過驅(qū)動(dòng)會(huì)損壞晶振。

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。參考下圖：

一些芯片內(nèi)置了這些外部器件(Rf，R1，C1，C2)，因此消除了電路設(shè)計(jì)師的煩惱。這種情況下，只要把晶振連接在XTAL引腳上即可。

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