晶振电路中电容电阻的一些基本原理和作用解析

晶振电路中的电容和电阻是调整和维持晶振振荡稳定性的关键元件。KOAN凯擎小妹带大家了解一下晶振电路中电容电阻的一些基本原理和作用。

电容的作用    

通过合适选择电容值，可以调整晶振的振荡频率，并确保在不同温度和电源条件下仍能保持稳定的性能。

负载电容CL是连接在晶振的输出端的电容，它影响晶振的谐振频率。通过调整负载电容的大小，可以微调振荡频率，确保电路工作在设计频率上。

杂散电容Cstray值一般为4~6pF。杂散电容可能对无源晶振的输出频率精度及稳定性造成不确定性影响。一般情况下，杂散电容会因电路板的复杂程度、布线设计的不合理性而增加。

调整频差FL是在25℃基准温度下，工作频率相对于标称频率所允许的偏差。石英晶体谐振器的规格书中，我们常看到调整频差用±30ppm max来表示，而KOAN晶振的实际的产品误差值会更小。

调整频差和负载电容的关系：

FL=Fr+Ts×(CL+Cstray)

FL-有载谐振频率

Fr-晶体的谐振频率

Ts-晶体的牵引量

CL-负载电容

Cstray-杂散电容

在并联型振荡器电路中，晶体X1两端的引脚和单片机内部的反相器相连，再匹配电容C1和C2，以及电路Rf和Rd组成皮尔斯振荡器。C1,C2的作用是让晶振谐振并稳定输出，尽可能达到标称频率的频率信号，同时可以过滤一部分高频干扰杂波。

根据负载电容选择匹配电容C1和C2：

如果通过最大限度的调整振荡电路的晶体外部电容也难以实现振荡电路的频率稳定性，可以让晶振供应商调整 CL 大小。

电阻的作用    

芯片Xin和Xout内部一般是施密特反相器，反相器不能驱动晶体振荡，需要并联一个电阻，即并联电阻Rf。电阻完成输出信号反向180度反馈到输入端进行负反馈，构成负反馈放大电路Amp。KHz晶振电路Rf为10MΩ左右；MHz晶振电路Rf为1MΩ左右。如果没有加Rf，晶振电路也可能会起振，但存在不起振或者停振的隐患。

串联电阻Rd连接在晶振的输入或输出端，用于限制输出电流，防止晶振被过分驱动。这有助于防止损耗并提高晶振的可靠性。晶振过分驱动会使频率上升，导致晶振早期失效。Rd用来调整激励电平。Rd具体大小需要根据驱动程度进行调整。

稳定振荡电路的具体措施    

电路匹配电容要合适(满足振荡的相位条件)：电路匹配电容加上电路杂散电容，愈接近晶体负载容量，目标频率愈精准。

措施1：调整外部负载电容。增加外部负载电容以减小实际的振荡频率，反之增加。如果增加外部负载电容，振荡裕量和振荡幅度会减小。

措施 2：更换合适的负载容量晶体。

总的来说，首先要追求系统的稳定性，然后选择适度的负载电容值；在确定中心负载电容值时，需要考虑频率变化的需求。确保匹配合适，以获得良好的相位噪声。近端相位噪声取决于晶体的 Q 值，而远端相位噪声则受匹配电容和振荡 IC 影响。较高的匹配电容有助于提高振荡电路的在线 Q 值，从而改善远端相位噪声，而较低的负载电容则有利于减少近端相位噪声。

审核编辑：刘清