无源晶振的结构和参数特性

1.晶振的类型

通常在电路设计当中，晶振都当作数字电路中的心脏部分，数字电路的所有工作都离不开时钟信号，而恰好晶振便是直接控制整个系统正常启动的那个关键按钮，一般来说有数字电路设计的地方就可以看到晶振。

晶振的类型也分多种：有源晶振，无源晶振，恒温型，温度补偿型，电压控制型，还有一种叫差分晶振。

2、无源晶振结构

无源晶振是在石英晶片的两端镀上电极而成，其两管脚是无极性的。无源晶振自身无法震荡，从本质上来说它是一个石英晶体元件，是一个被切割和加工成特定形状和尺寸的石英晶体片。在工作时需要搭配外围电路。在一定条件下，石英晶片会产生压电效应：晶片两端的电场与机械形变会互相转化。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，晶体产生的振动和电场强度最大，这称为压电谐振，类似LC回路的谐振。无源晶振的频率范围在几kHz到几十MHz之间**，但特定的应用可能会要求更高或更低的频率。

石英晶体振荡器由高质量因素Q的石英晶体谐振器和振荡电路组成。振荡器的性能由晶体的质量因数、切割方向、晶体振子的结构和电路形式决定。国际电工委员会（IEC）石英晶体振荡器分为四类:普通晶体振荡器（SPXO），晶体振荡电压控制（VCXO），温度补偿晶体振荡（TCXO），恒温控制晶体振荡（OCXO）。

目前，数字补偿晶体振荡也在发展（DCXO）混合型VOCXO振荡等。虽然由于石英晶体Q值高，晶体振动输出的稳定性和准确性高，但由于晶体振动内部组件参数随运行时间、电源、负载、温度等参数的变化而不稳定。任何晶体振动，频率不稳定是绝对的，但程度不同。晶体振动的输出频率随时间变化。频率不稳定有三个因素：老化、漂移和短稳定。短稳定性能会影响接收机的接收灵敏度和选择性、高速数字通信系统、测试灵敏度等，对高速信号的质量起着决定性的作用。

3. 无源晶振的参数特性：

一般而言我们知道最多的就是晶振的负载电容，这个 负载电容其实是管脚的总体等效电容，因此在PCB设计时尤其要注意寄生电容的大小。但是还有一些其他重要的参数需要注意：

a. 标称频率：即设计的标准振荡频率。

b. 温度频差：工作频率相对基准温度25度时频率的偏差。

c. 老化率：工作频率随时间的变化范围。

d. 启动时间：上电开始到晶振达到工作频率的时间。

晶体模型及理论计算

C0并联电容：两个电极间形成的电容。Lm动态等效电感：代表机型振动的惯性。Cm动态等效电容：代表晶振的弹性。Rm动态等效电阻：代表电路的损耗。

晶振的阻抗表达式如下（假设Rm可以忽略不记）

下图说明了晶振的阻抗与频率的关系

晶体参数

（1）晶振负载电容定义

晶体元件的负载电容是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容，是晶振要正常震荡所需要的电容。如果从石英晶体插脚两端向振荡电路方向看进去的全部有效电容为该振荡电路加给石英晶体的负载电容。石英晶体的负载电容的定义如下式：

其中：

CS为晶体两个管脚之间的寄生电容（又名晶振静态电容或Shunt Cap），在晶体的规格书上可以找到具体值，一般0.2pF~8pF不等。某32.768KHz的电气参数，其寄生电容典型值是0.8pF。

CG指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容，其容值为以下三个部分的和。晶体布线时都会要求晶体尽量靠近振荡电路，减小CPCB。

需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容 Ci

晶体震荡电路PCB走线到到GND的寄生电容CPCB

电路上外增加的并联到GND的外匹配电容 CL1

CD指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容。容值为以下三个部分的和。

需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容, Co

晶体震荡电路PCB走线到到GND的寄生电容，CPCB

电路上外增加的并联到GND的外匹配电容, CL2

图1中标示出了CG，CD，CS的的组成部分。

（2）晶体负载电容和频偏之间的关系

负载电容常用的标准值有12.5 pF，16 pF，20 pF，30pF,负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的，负载电容变小时，频率偏差量变大；负载电容提高时，频率偏差减小。

4. 设计考虑事项

a、 使晶振、外部电容器与IC之间的信号线尽可能保持最短。当非常低的电流通过IC晶振振荡器时，如果线路太长，会使它对 EMC、ESD 与串扰产生非常敏感的影响。而且长线路还会给振荡器增加寄生电容。