晶振原理和电容选取的计算

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无源晶振和有源晶振

晶振大类分两种，有源晶振和无源晶振。

无源晶振工作原理简单的说石英有压电效应，电压形成了，自然就会产生晶体片形变，再结合外部电路，通过IC整合再交给下级电路输出。其设计缺陷需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等）才能运行，所以信号质量较差。

有源晶振有4只引脚，里面除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件。有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，不需要复杂的配置电路。因为外围电路固定，相对于无源晶体,有源晶振的缺陷是需要选择好合适输出电平,灵活性较差,而且价格高。

从内部结构看，有源晶振内部构造包含了无源晶振，并且把外围电路封装进去，所以如果能理解无源晶振，也就能理解有源晶振，本篇主要讲解无源晶振。

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晶振的原理

2.1 石英晶体的结构

晶振是利用石英晶体(Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种谐振器件。石英本质是矿物质硅石的一种，化学成分是Sio2，从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。

形状是呈角锥形的六棱结晶体,具有各向异性的物理特性。按其自然形状有三个对称轴,电轴X,机械轴Y,光轴Z。

石英晶体及横断面

石英谐振器中的各种晶片，就是按照各轴不同角度,切割成正方形、 长方形、 圆形、 或棒型的薄片,如图

2.2 石英晶体的特性

(1) 石英晶体特有的正、 反两种压电效应

正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时， 就在垂直于电轴的两面上产生正、 负电荷， 呈现出电压。

负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交变电压时， 晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形( 伸张或压缩) ， 称为机械振动。

(2) 石英晶体具有谐振回路的特性

石英晶体存在着固有振动频率。

当晶体几何尺寸和结构一定时， 它本身有一固定的机械振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时， 就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振， 又在电路上表现出电谐振。这时有很大的电流流过晶体， 产生电能和机械能的转换。

(3) 具有较小的频率温度特性

石英晶体温度系数小和低噪声，石英晶体振荡器的频率稳定度可达到10 -5数量级以上， 具有很高的品质因数， 产生几十kHz几百MHz的振荡频率。

2.3 晶振的工作原理

晶振是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了晶振。

根据正反压电效应，如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。是一种可将电能和机械能相互转化的压电器件，能量转变发生在共振频率点上。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

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晶振的特性和模型

3.1 晶振的等效电路

当晶体不振动时， 可以看成是一个平板电容器Co， 称为静电电容。Co与晶片的几何尺寸和电极面积有关。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。

Co—静态电容和支架引线等分布电容之和， 一般约2～5PF。

Cm —动态电容， 表征晶体的弹性， 值很小， 在10﹣² pF以下。

Lm —动态电感， 表征晶体的质量， 值较大， 在几十mH ～几百H。

rm —动态电阻，机械摩擦和空气阻尼引起的损耗， 阻抗很小，几～几百欧Ω。

3.2 晶振的阻抗

可表示为以下方程(假设Rm可以忽略不计)：

3.3 石英晶振的频域电抗特性

其中Fs的是当电抗Z=0时的串联谐频率(它是Lm、Cm和Rm支路的谐振频率)，其表达式如下：

Fa是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率(译注：它是整个等效电路的谐振频率)，使用等式：

在Fs到Fa的区域即通常所谓的联谐振状态(该区域就是晶振的正常工作区域，Fa－Fs就是晶振的带宽。)

带宽越窄，品质因素越高，振荡频率越稳定, 在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180 °的相移。

频率FP(或者叫FL:负载频率)表达式如下：

从表达式我们知道可以通过调节负载电容CL来微调振荡器的频率，这就是为什么

制造商在其产品说明书中会指定外部负载电容CL值的原因。通过指定外部负载电容CL值，可以使晶体振荡时达到其标称频率。

举一个例子来说明如何调整外部参数来达到晶振电路的8MHz标称频率：

等效电路参数实例

我们可以计算出该晶振的Fs = 7988768Hz，Fa = 8008102Hz，

如果该晶振的CL为10pF，则其振荡频率为：FP = 7995695Hz。要使其达到准确的标称振荡频率8MHz，CL应该为4.02pF。

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晶振的参数

1、频率

晶振频率是工作频率的简称，晶振元件在电路中正常工作时候的理想频率就是工作频率，这个参数在晶振设计好的时候就固定好了，我们在采购的时候应该顺应需求选择合理选择。

2、频差

基温下工作频率与名义频率的最大允许偏差。

3、温差

允许工作频率在整个温度范围内相对于基准温度的偏差，通常以ppm为代表。

4、老化率

由时间引起的频率偏移，这个指标对于精密仪器是必要的。它没有明确的测试条件，而是由制造商通过对所有产品的计划采样持续监督。某些晶体元素可能比规定的老化率有些偏差，这是允许的，老化问题的最佳解决方案只能靠制造商和用户之间的密切协商。

5、负载电容

用晶体元件测定负载共振频率FL的有效外电容，晶体元件规范中的cl是一个测试条件和一个使用条件，可根据用户的具体用途调整，以微调实际工作频率(即制造公差可调整)。然而它具有一个合适的值，否则它会使振荡电路老化。其值通常是10PF、15PF、20PF、30PF、50PF等，其中Cl用于串联谐振电路，其操作频率为晶体的谐振频率。对于某些晶体(包括非封装振荡器的应用)，0.5pf的实际电容的误差可能导致给定负载电容器(特别是小负载电容器)下的频率误差为+-6，因此负载电容是订单规范的一个重要指标。

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如何选择晶振的负载电容

晶振的匹配电容是怎么定义的?

前文我们有计算过晶振的负载电容，一般规格书中有推荐的负载电容值，它是指晶振要正常振荡时所需的电容。

很多工程师误解以为这个晶振的CL参数就是等同于晶振振荡电路里的C1 C2两个外挂电容的串联等效电容C1*C2/(C1+C2)。其实负载电容是指晶振的两条引线连接IC 块内部及外部所有有效电容之和.

**晶振的负载电容=[(C1*C2)/(C1+C2)]+Cic+△C **

式中C1,C2为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic集成电路内部电容+△C PCB上电容，经验值为3至5pf。

假设一个10PF的负载电容的晶振电路，外挂旁路电容的大小应该可以这样推算：1）假设杂散电容为5pF，C1/C2=（10-5）*2 =10PF；

2）假设按照3PF来推算，C1/C2=（10-3）*2=14PF，可以就近选择15PF接入电路。如果不做精确的回路调查工作，可以依照此数字做大概的推算并调试。

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晶振使用注意事项

1、位置要选对：晶振内部是石英晶体，如果不慎掉落或受不明撞击，石英晶体易断裂破损，所以晶振的放置远离板边，靠近MCU的位置布局。

2、两靠近：耦合电容应尽量靠近晶振的电源管脚，如果多个耦合电容，按照电源流入方向，依次容值从大到小摆放;晶振则要尽量的靠近MCU。

3、走线短：在电路系统中，高速时钟信号线优先级最高，一般在布线时，需要优先考虑系统的主时钟信号线。时钟线是敏感信号，频率越高，要求走线尽量的短，保证信号的失真度最小。

4、高独立：尽可能保证晶振周围的没有其他元件。防止器件之间的互相干扰，影响时钟和其他信号的质量。网传是300mil内不要布线，实际在设计中并没有如此严格。

5、外壳要接地：晶振的外壳必须要接地，除了防止晶振向外辐射，也可以屏蔽外来的干扰。

6、谨慎选择C1、C2的容值。尽量按照晶振厂家提供的推荐值设计。在满足起震要求的前提下，C1、C2的取值可以尽量小，能缩短石英晶振起震时间。